為什麼 沙+水=沙雕？| No.238_風聞

　　相信大家小時候都玩過沙子

　　畢竟誰還不是個“沙雕”少年

　　但鬆散的沙子無法定型

　　想要像泥巴一樣做出各種造型

　　就勢必要藉助水的力量

　　可為什麼沙和水都沒有粘性

　　碰到一起卻能打造出“沙雕”？

　　**Q1****為什麼乾的沙子是鬆散的，而濕的沙子可以結塊？**by 願做苦行僧

　　答：

　　乾的沙子鬆散容易理解，這是因為沙子之間的距離微觀上很大，顆粒間吸引作用很小導致的；而濕的沙子可以結塊是因為顆粒間存在着毛細壓力，這種黏結力實際上是水的表面張力。如下圖所示：

　　當兩個沙粒之間存在着少量水時，粘黏在沙粒上的水會形成凹液麪，水與空氣的界面上的表面張力總是沿着切線方向，顯然這個張力會促使沙粒靠近，產生黏結在一起的效果，這種張力作用就是毛細壓力。注意，水過多凹液麪自然無法形成，這種毛細壓力也隨之消失了，所以在水中也是無法將沙子捏成一團的。

　　參考資料：《土力學與基礎工程》（第四版）趙明華P12

　　by Alan

　　Q.E.R.

　　**Q2****為什麼陽光照在頭髮上，可以看到許多重複的色條？**by 匿名

　　答：

　　在陽光照射下頭髮呈現的顏色比較複雜。頭髮纖維對光的散射，十萬根髮絲（如果頭髮還沒有為ddl拼過命）之間的相互作用都會對最終呈現的髮色產生影響。目前被廣泛應用的Marschner模型將頭髮纖維近似為含有色素的柱狀內部介質和表面覆蓋的傾斜鱗片兩部分。下圖給出了入射光線經頭髮纖維散射後形成的不同光路。

　　頭髮纖維的Marschner模型示意圖[1]

　　光路R對應的入射光線在頭髮纖維的表層發生反射。TRT光路對應的入射光線經過頭髮纖維表層折射進入內部並在下表層反射後透射進入空氣，可以看出出射點和入射點之間存在偏移。R與TRT光路在出射角度和出射點的偏移產生了視覺上可以分辨的高光，此外由於TRT光路會經過含有色素的頭髮纖維內部，形成的反射高光是有顏色的[2]。因此在陽光下我們可以看到與頭髮纖維垂直的方向上會出現重複的線形高光。

　　參考資料：

　　[1] Marschner S R , Jensen H W , Cammarano M , et al. Light scattering from human hair fibers.

　　[2] Light Scattering from Human Hair Fibers(人類頭髮纖維的光照散射)

　　by 觀山不易

　　Q.E.R.

　　**Q3**2000瓦的空調製熱量是4500瓦，那麼多出來的2500瓦是從哪裏來的呢？by 空缺

　　答：

　　空調毋庸置疑肯定是服從能量守恆的，所以並不會有憑空多出來的能量，實際上這2500瓦來自於外環境。

　　作為熱機的空調和電熱毯這種電熱設備的不同在於：電熱設備所有的熱量都來自於電-熱轉化，即用電器消耗了多少電能就全部把它們轉化成了熱，而空調實際上是熱量的“搬運工”。2500瓦是讓熱機工作起來需要消耗的代價，而這個“搬運工”所做的事情是把外界的2500瓦吸收進熱機然後再把4500瓦的熱量釋放到房間內。這4500瓦總制熱量中，有2000瓦來自於電能的電-熱轉化，有2500瓦來自於外環境。

　　所以空調的制熱效率是高於純電熱設備的。

　　by luna

　　Q.E.R.

　　**Q4**保温杯裏裝入開水，再放一個帶殼生雞蛋，蓋上蓋子，最終雞蛋會熟嗎？by 吃飯了

　　答：

　　是可以這樣煮熟雞蛋的，但是保温杯容量不能太小。

　　煮熟雞蛋本身是不需要太高的温度的，原則上只要破壞蛋白質結構，使之變性凝固就算是熟雞蛋，這種破壞所需的温度大約在55℃左右 [1]，有一種叫低温蛋的煮雞蛋方法，即温泉蛋，就是把雞蛋放在55℃以上的恆温水裏一段時間雞蛋便被煮熟了，所以説在保温杯裏面裝上開水（100℃左右），再裝入雞蛋，是完全可以把雞蛋煮熟的。

　　當然，這首先要求保温杯保温效果比較好，在通常的開水煮雞蛋情況下，需要10分鐘左右雞蛋便熟透了，恆温70℃左右的水需要大約30分鐘，滿足保温條件後，其次是要求保温杯容量不很小，因為裝入雞蛋後杯中開水需要先把熱量傳給雞蛋使之升温到55℃以上（最好再高一點），假設雞蛋比熱和水一樣（實際上水的比熱大一些），500ml的保温杯煮熟一個雞蛋是綽綽有餘的，實際操作見參考資料[2]。

　　參考資料：

　　[1]Effect of Heat on Egg White Proteins

　　[2]保温杯裏放個雞蛋，解決了多數人的大煩惱

　　by Alan

　　Q.E.R.

　　**Q5****插在插座上卻沒有連接電器的充電器裏面的電以何種形式去了哪裏？**by ACorBug

　　答：

　　充電器本身並不存儲電能，它實際上是一個變壓器，負責將插座中220V的電壓降低到大約5V左右，才能給手機或電腦充電。那麼沒連接電器時，充電器內部是不是就沒有電流呢？並不盡然！我們先來看一看最簡版的變壓器結構：

　　這是一個矩形鐵芯，左右各繞有一個線圈。左側交流電源向原線圈中輸入交變電流，在鐵芯內激發交變的磁通量，根據法拉第電磁感應定律，右側副線圈中會產生交變的感應電動勢。由於繞線圈的匝數N₁和N₂不同，AB和CD間的端電壓也不同，這就實現了“變壓”的目的。當然實際充電器的電路遠不止這麼簡單，但基本原理是相同的。

　　在充電器不連接負載時，由於空氣電阻很大，圖中右側迴路可認為是斷路。然而只要電源依舊連接着，原線圈中就還有電流（該電流具體大小跟原線圈自感係數L₁有關），所以依舊會耗電。耗的電去哪裏了呢？一方面轉化成了線圈的自感磁能，另一方面在電源內阻、導線電阻上耗散成熱量了。

　　最後，建議大家還是不要把充電器一直插在插座上！不僅因為長時間通電會損壞電路元件，更是因為萬一充電器質量不好，自身發熱比較嚴重，高温天氣可能發生自燃引發火災！二話不説我趕忙拔下了手邊插座上的充電器……

　　參考資料：趙凱華、陳熙謀，《電磁學》，高等教育出版社

　　by Eosia Leaf

　　Q.E.R.

　　**Q6****為什麼自行車腳蹬反向旋轉的時候對自行車的運動沒有影響？**by 匿名

　　答：

　　自行車後輪的花鼓示意圖大概像上面這樣。圖中的結構內側通過軸承與自行車的飛輪與輪軸相連（即安裝在後叉），外側則與輪圈、輪胎相連。觀察圖中棘輪的構造可以看出，外部相對於內部可以自由逆時針旋轉，但無法順時針旋轉，因為此時內部的齒會牢牢頂住外部的凹槽，使二者的角速度保持一致，這也就使得踩踏時飛輪和後輪能夠一起運動，而滑行時飛輪不動，或者反向蹬踏使飛輪反向轉動，後輪仍然能夠滑行一段距離。

　　有一種自行車稱為死飛，這種車的後輪構造與一般自行車不同，飛輪端與輪圈固連，也稱為固齒車。這種飛輪與後輪嚴格地同軸的設定使得這種自行車不能夠滑行，即保持運動必須要以相應的速度踩踏，剎車時則腳向後用力踩住腳踏，可以直接令後輪抱死。同理，不同於尋常的自行車，反向蹬踏可以使之向後運動。由於花鼓內部嚴格咬合，它的踩踏效率高於普通的自行車，並且構造簡單不容易損壞。由於具有以上這些特點，固齒車也常用於通勤和特技表演。

　　by Hanging man

　　Q.E.R.

　　**Q7**現在已經有了激光武器，那能不能像動畫裏面奧特曼用光線（激光）技能對轟，中間形成一個碰撞點？by 匿名

　　答：

　　當電磁場比較弱時，一般的介質都是線性極化的，此時介質中的麥克斯韋方程組是線性的。也就是説，如果兩個電磁場分別滿足方程，那麼它們的和也是滿足方程的，這一性質的直接結果就是電磁波的傳播是獨立的，奧特曼A發出的激光能否打中奧特曼B，與B是否發射激光無關。

　　但是，當電磁場極強時，一系列非線性效應就會顯現出來。如果介質的折射率隨激光強度的增大而減小（一個可能的機制是由於激光的熱效應，介質温度升高從而變得稀疏），就會導致激光的自散焦。如下圖所示，假設光束中心激光的光強最強，此處的折射率最低，折射率梯度導致光束向遠離中心的方向偏轉。兩束對射激光相交區域光強最強，由於自散焦效應，激光在這一區域向四面八方散射，激光對轟的神奇效果就出現了。

　　by 樂在心中

　　Q.E.R.

　　**Q8**冬天，我國東北細小物體凍透也就分分鐘的事。小鳥的腿部纖細，在此生活的留鳥腿部是如何不被凍傷的？by 一塊小石頭

　　答：

　　鳥兒腿部並不纖細，甚至還很強壯。所謂纖細的腿部，其實只是鳥兒腿部的一部分。以家雞為例，嚴格可以被稱作腿的那一部分，就是大家能買的手槍腿，兩塊大骨頭上有大塊鮮美的雞肉（對不起串台了）；而提問者所問的，則是鳥的跗間關節（跗蹠）和趾，具體的例子就是纖細的泡椒鳳爪。

　　鳥的腳表面雖然有鱗片覆蓋，但是防風抗寒肯定比不上身上那一身毛茸茸的羽毛，再加上有些鳥兒在冬天還要佇立在水中，防止熱量散失自然是重中之重。鳥類的解決辦法就是利用逆熱流交換。在鳥類的下肢，靜脈與動脈是並行的，這樣使得熱的動脈血在向肢端運動的過程中，將熱量傳遞給迴心的靜脈血。使得動脈血在到達趾的時候，温度得到有效的下降，甚至可以下降到接近0℃，使損失到環境的熱量大大下降。同時鳥類的跗間關節和趾由於長期適應於低温，在低温狀態下血管微循環不會有應激和損害，進一步減少了低温的傷害。

　　圖片來源：All about birds

　　生物體利用逆熱流交換可以追溯到古老的魚類，這一系統是如此高效，以至於在幾乎所有魚類和魚類演化而來的生物中都有所應用。例如生活在水中和寒冷地區的哺乳動物，都有利用逆熱流交換，來減少温度散失的肢端血管網絡。其實裸猿智人也有一樣的系統，這也是為什麼你手的温度會低於你胳膊的温度，只不過並沒有那麼高效，所以還是很容易凍傷（強烈要求南方也要通暖氣）。

　　by 某大型裸猿

　　Q.E.R.