從天而降的牛排能烤熟嗎？| No.169_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-08-23 12:49
原創：中科院物理所
想必大家對那一招
從天而降的掌法一定印象深刻，
那麼，問題來了——
從天而降的牛排能被烤熟嗎？
這招“如來神牛”乃物理所獨門絕技，
可是無價之寶，
我看與在座各位有緣，
給我一個贊，
便傳授給諸位吧！
1
Q
在撕紙時，不同方向撕的力度為什麼不一樣？
by 匿名
A
這是因為紙張內的纖維排列有一定的取向。可以把紙張想象成取向相同的纖維被粘在一起，纖維比粘合劑更難被扯斷，用力大的一邊相當於是將纖維扯斷，而用力小的一邊，只是將纖維分開，因此撕紙時，垂直於纖維方向比平行於纖維方向更難撕開。
簡單介紹一下造紙的過程：製成紙的第一步，是紙漿被一個叫做流漿箱的裝置噴出，纖維被噴出時方向保持一致；第二步，液體紙漿到了成形網上，為了加快濾水的速度，網子左右抖動，纖維交織得更好，但方向大部分還是一致排列的；然後經過壓榨，烘乾等步驟，紙張就做好了。
這樣使得紙張纖維有一定的取向，這種排列特別像棒狀液晶分子的排列，可以説纖維的排列具有“各向異性”，這種紙在洇墨或者浸水時，不同方向液體擴散的速度不同，向纖維延伸的方向擴散更快；需要指出的是，並不是所有的紙張都是這樣，像宣紙內的各纖維取向隨機，哪邊撕都一樣，可以説具有“各向同性”，滴在其上的墨點擴散成一個圓形（有條件的讀者可以自己試試看啊）。如果平時有注意觀察的話，有一些布也是一邊容易撕開，這是因為機織布具有經緯線，經線更結實，所以裂口與經線平行時更容易撕開，這也可以説是一種“各向異性”。
By 二十三 & Ling
2
Q
為什麼看3D電影要用3D眼鏡，3D眼鏡利用的是什麼原理？
by 匿名
A
人眼看東西能有立體感是因為兩隻眼睛的位置不同，看東西會有兩個不同的視角。兩個不同視角的內容經過大腦的“腦補”，就產生了立體感。而現在的3D電影拍攝時就模仿了人眼，有兩台位置不同的攝像機同時拍攝。放映的時候同時將兩台攝像機拍攝的畫面播放，如果不戴3D眼鏡直接觀看，會發現電影有“重影”，這是因為兩台攝像機的畫面有略微視差。而3D眼鏡則能夠讓左（右）眼只看到左（右）攝像機拍到的畫面，從而形成3D的視覺效果。3D眼鏡有紅藍眼鏡、偏振光眼鏡、液晶快門眼鏡。最早的是紅藍眼鏡，電影放映時，兩幅畫面分別是紅色和藍色，而紅色的鏡片可以過濾掉所有的藍光，藍色的鏡片可以過濾掉所有的紅光，這樣子就可以使得左右眼看到不同攝像機拍到的畫面，從而有3D效果。但是紅藍眼鏡看到的色彩失真，體驗不佳。後來就出現了偏振光眼鏡，鏡片是一對透振方向互相垂直的偏振片。在放映時，兩個放映機用振動方向互相垂直的兩種偏振光將圖像放映到銀幕上，人眼通過偏振光眼鏡觀看，每隻眼睛只能看到單獨一台攝像機拍攝到的一個圖像，這樣也能有3D效果。液晶快門眼鏡則是利用視覺暫留的原理，放映機以極快的頻率交替放映左右攝像機拍攝到的畫面，而液晶快門眼鏡則以同樣的頻率切換，在放映左畫面時，只讓左眼能看到，右眼看不到，而放映右畫面時，只讓右眼能看到，左眼看不到，這種眼鏡3D感最為真實。
By 重光
3
Q
為什麼不同氣體燃燒產生的火焰顏色不一樣？
by loser
A
首先我們看到的火焰產生的顏色主要是由於其光的頻率不同造成的顏色的差別，因此我們可以從燃燒產生的光的頻率這一點來分析。燃燒反應的本質是氧化反應（一般而言），即可燃物與氧氣作用產生熱和生成物的過程。燃燒會發光是由於物質分子部分動能高，將電子激發到高能態，高能態再退激發到基態產生光子。由於在不同的燃燒環境下，燃燒物不同，分子的外殼層結構不同，導致其光子的頻率不同，反映在宏觀情況下即為不同的火焰顏色。
另外，對於蠟燭的燃燒過程，火焰是一個以亞音速、自維持傳播的局域燃燒區域，即在“火焰”的區域燃燒反應在進行着，因此發光區域在火焰的存在區。其中內焰燃燒時由於含有較碳微粒燃燒，因此其亮度最高。
By Nuor
4
Q
聲波和衝擊波有哪些區別？
by 以太海洋
A
聲波和衝擊波都是波的一種形式。聲波的形成是聲源振動傳播，使周圍的空氣壓強在正常的壓強周圍上下波動，其波動的振幅可以用分貝來描述，我們日常説的安靜環境40~50dB就是根據聲波的這一特性來描述的。在地球的環境下，由於聲波波動聲壓有最小值——真空，所以聲波的上限為194dB。
但是，當能量足夠大，物質聲源的膨脹速度大於其傳播速度（聲速）時，會有衝擊波產生。衝擊波前的空氣來不及對振動發生“反應”便被快速改變，會導致介質中的壓強、温度、密度等物理性質發生跳躍性改變（也因此衝擊波的上限超過了194dB）。以超聲速飛機為例，由於飛機飛行速度會比聲音的傳播速度快，因此會在其頭部和尾部產生衝擊波，衝擊波經由空氣突然達到人耳，人耳鼓膜感受到空氣的壓強突然變化，就是轟然巨響的爆炸聲，也就是我們常説的：音爆。
衝擊波能量衰減很快，經過衰減，其波從非線性波變為線性波，也就退化成了正常的聲波。
By Nuor
5
Q
請問避雷針的工作原理是什麼，有的文章説引雷，有的文章説是因為尖端放電、電荷中和，從而避雷，想問下事實究竟是什麼？
by 匿名
A避雷針的原理就是遠高於建築物的金屬尖端，優先達到尖端放電條件並中和雨雲所帶的電荷從而達到避雷的效果。尖端放電是一種物理效應，是指在強電場作用下，物體尖端發生的放電現象，其結果就是放電體電荷與雨雲電荷中和，一般尖端處總有更大的電荷密度，且越尖電荷密度越大，電荷密度越大則電場越強。在雷雨天氣時雨雲帶有大量的電荷，當其在建築物上方時會在建築物上感應出電荷，雨雲和建築物的電荷電性相反，這之間會產生出很強的電場，越高的建築離雨雲越近，越尖則尖端處的電場相對越強，這兩個條件都使得建築物更容易發生尖端放電；如果物體中的電荷不足以中和雷雨雲中的電荷或者發生尖端放電的電場強度很高，則物體多半會被強電場瞬間擊毀，因此避雷針的要求是金屬材料，要尖，要置於建築物的最高處，並且與大地要有良好的連接，這樣一來避雷針就可以優先達到放電條件，在電場不太強時就放電中和雨雲電荷，並且與地面的良好連接可以提供大量電荷用於中和，從而保護建築物不被雷擊。尖端放電和電荷中和只是在不同的角度描述這個問題，沒有對錯的分別，由於避雷針優先與雨雲放電，因此某種程度也可以説是“引雷”。
By 二十三
6
Q
為什麼容器洗到水在上面既不成股流下，也不聚成液滴就算洗乾淨了?
by 匿名
A
這主要是由水的表面張力與水和表面的吸附力決定的，而且該方法主要適用於玻璃容器。當液體滴在固體表面時，其彎曲的表面與固體表面形成一個角，這個角叫接觸角（如圖中的角），其大小衡量液體浸潤固體表面的程度；一般水在乾淨玻璃上的接觸角小於90°，其表面張力小於水分子與玻璃內原子的吸附力，水浸潤玻璃，因此水在玻璃上無法形成水珠；這個接觸角對固體表面的污染物很敏感，一般污染物會顯著增大接觸角。實驗室玻璃容器在盛裝試劑之後，表面有很多殘留物，殘留物增大了水在玻璃表面的接觸角，水開始變得不浸潤玻璃而形成水珠，甚至是成股流下，因此該方法可以用來判斷玻璃器是否洗滌乾淨。另外生活中看到的防水面料，水滴在上會形成水珠，與在玻璃上完全不同，還有荷葉上晶瑩剔透的水珠，都是因為水在這些材料表面的接觸角大於90°（也可以説是不浸潤）。
圖片來源：維基百科
By 二十三
7
Q
一塊西冷牛排從多高的地方掉下去剛好烤熟？
by 浮生Demon
A
假如牛排從空中的某點開始下落，其下落過程中受到重力和空氣阻力的作用，空氣阻力反映在迎面而來的阻力和側面的摩擦力上。空氣阻力的大小為F，其與空氣密度，迎風面的面積成正比，與速度的平方成正比。所以牛排從靜止開始加速到其臨界速度（以重250g，迎風面積0.01m2，空氣阻力C取0.05，ρ=1.293g/L為例），粗略估計約為6km/s，嗯，超音速了。
之所以要考慮到音速的問題，是因為在空氣中速度如果超過了2.5M（馬赫，一馬赫即一倍音速），就要考慮氣動加熱（當物體與空氣或其他氣體作高速相對運動時所產生的摩擦力轉為熱力的過程）現象了。牛排從高空下落時其速度和壓縮空氣產生的熱量的關係需要複雜的模型計算，具體官方資料可以在：《戰術導彈整流罩的氣動加熱預測》以及《再入飛行器的温度歷程計算》中找到類似的計算過程，這裏援引參考中的結論：當牛排從70km的高度下落，會獲得180℃，60s的加熱時間，這大概會得到一個一分熟的牛排？當牛排從100km的高空下落時，牛排外表會被烤焦，但馬上會遇到冰冷的平流層暴風，其內部仍然是生的。當牛排從250km的高空落下時，牛排的最高速度可以達到6馬赫，這個温度下的牛排表面是焦的，由於時間過短，其內部仍然無法通過熱傳導被加熱，且由於掉落速度過快，焦掉的表面會被風颳走，所以牛排會越來越小。當然，如果事先安排好牛排的形狀，是可以得到一塊烤好新鮮的牛排的。
但是，考慮到大氣中25km的區域內温度都在0度以下，牛排會被凍住且落地後會被摔得粉碎，所以，幻想着可以往高空扔一頭牛，在底下等着吃熱乎新鮮牛排的你可以放棄這個危險的想法了。
參考：Steak Drop
By Nuor
8
Q
不同高低的聲音全部混雜在一起，人耳是如何把音調不同的聲音分開的？
by 胖胖
A
説到分辨不同頻率的聲音，我們首先就會想到傅里葉變換，通俗的説傅里葉變換就是把不規則的隨時間的振動分解成一些列強度不同簡諧波的數學操作。
Fig 1 傅里葉變換與逆變換
而人耳分辨不同頻率聲音的奧秘就在於人的聽覺系統可以進行“傅里葉變換”，只不過這個傅里葉變換並不如我們想象的那樣是大腦的後期處理，而是在耳朵裏有着對應的生理結構，這個生理結構就是耳蝸中基底膜。
基底膜隨着耳蝸螺旋盤繞，在耳蝸外端，基底膜剛性較大，寬度較窄，能夠和振動中的高頻成分發生最大共振，在耳蝸內端，基底膜剛性較小，寬度較寬，能夠和振動中的低頻成分發生最大共振，不同區域的振動使得柯蒂氏器上不同部位的毛細胞發生彎曲，最終變為不同神經上的信號，我們就能分辨出不同頻率的聲音了。自然造物是多麼的神奇，通過這樣一種簡單的結構，就可以通過物理手段實現傅里葉變換，我們的腦子就不用進行那麼複雜的活動了！
需要提到的是，毛細胞是不可再生的，而由於耳蝸外端的毛細胞受外界聲音影響更大，所以隨着年齡的增長，我們慢慢的會聽不到高頻的聲音。所以，一定要保護好自己的聽力鴨！
Fig 2 論文中的耳朵結構圖示和人工耳蝸模型
參考文獻：
[1] Yooil Kim.Scientific Reports.2018,8,12023
[2] 馬赫. 科學哲學演講錄
By J. Baker
