紙吸管,可樂的一生之敵 | No.255_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2021-04-30 14:27
可樂
肥宅人的快樂水
紙吸管
環保界的衝鋒者
兩者看似風馬牛不相及
但他們一旦相遇
就是一場血雨腥風
紙吸管
可樂的一生之敵
(所以為什麼不直接大口喝可樂呢

)
**Q1****為什麼純棉的衣服會縮水?什麼材質的衣服也會縮水?**by 1
答:
其實,除了棉織物以外,幾乎所有的纖維織物在初次洗滌之後都會發生一定程度的收縮。這是因為,織物纖維都是高分子有機物的長鏈編織而成,而這些有機物長鏈,在其自由能最低的狀態下都是捲曲起來的。為了織出挺直的衣物,在紡織天然纖維或是合成人造纖維的過程中,都會加熱並拉伸纖維。捲曲的纖維在加熱過程中舒展開來,在外力的作用下進一步拉直,冷卻過程中纖維之間形成新的鍵聯,伸直的形態就被固定下來。
在初次洗滌的過程中,水分子進入到織物纖維的間隙之間,削弱了纖維分子的相互作用,繃緊的纖維分子於是紛紛鬆弛下來,曬乾後衣物的尺寸便減小了。洗滌過程中衣物受到的外力捶打,也有可能使纖維分子間的鍵聯斷裂,導致纖維鬆弛收縮。除此之外,羊毛織物在水洗過程中還可能出現“縮絨性”,這是因為毛髮表面覆蓋着一層層角質蛋白構成的鱗片,在紡織過程中鱗片間隔被拉大,水洗過程中收縮,這也會導致織物縮水。

總而言之,洗滌過程中水分子進入纖維間隙,織物纖維分子間的鍵聯被削弱,纖維發生捲曲和收縮,這是造成織物縮水的主要原因。而纖維分子間的鍵聯削弱則主要是水分子進入分子間隙引起的。因此,雖然不同材質的衣物都可能發生縮水,纖維排列疏鬆的織物,如羊毛、純棉衣物的縮水更為明顯。
by 樂在心中
Q.E.D.
**Q2****為什麼油炸食品脆脆的,水煮的就軟軟的?**by 匿名
答:
油炸過程是脱水的過程。油炸食品時油温在200℃左右,會先使得食物表面的水分沸騰出來,食物表面温度在100℃附近;在表層水分損失之後,食物表面温度會逐漸向油温靠攏,澱粉開始糊化,蛋白質逐漸變性,表面開始變脆,這一過程中,食物內部水分也會以氣泡形式蒸發出來,進一步導致食物變得鬆脆,當然這在一定程度上阻礙了油進入食物內部。一個比較好的做法是油炸兩次,第一次簡單使食物吸油,第二次炸的時候就能使得整個食物內外都變脆。
水煮過程是吸水過程,食物自由水增加,因此變軟,實際上油炸物品長時間暴露在空氣中,也會因為吸水而變軟。

by Alan
Q.E.D.
**Q3****鏡子反射的光線會有能量的損失嗎?**by 鏡幻
答:
會有損失。一方面實際鏡子的組成材料(如SiO₂)不可避免會對入射光有吸收,同時鏡面不可能絕對光滑平整,會產生四面八方的散射(漫反射),導致入射光能量的損失。另一方面,即便忽略吸收和散射過程,電磁波照射到鏡子上也會發生透過和反射兩個過程,使得反射率小於100%,因此每一次反射都會有能量以透射的形式損失。對於相距3米反射率為95%的兩面鍍銀鏡面,1KW的燈1秒內發出的光在其間來回折射,只需要0.00001秒光線能量就會完全損失掉,即便使用99.99999%超高反射率的材料,這一過程也只需要5秒。需要區分的是,全反射過程中確實能夠消除折射光導致的能量損失,但即便這樣也無法消除吸收和散射帶來的損耗,當然這並不影響我們利用光纖來進行信息傳輸,因為雖然光纖內的電磁波時間上來看也是損失的很快,但這短暫的時間光已經走出很遠的距離,信息傳遞早已完成!

參考資料:
[1] 兩面鏡子間發射一束光,光會不會一直反射下去?
by Alan
Q.E.D.
**Q4****透明的物體,為什麼我們也能看見?**by 匿名
答:
這是個非常有趣的問題。首先我們知道,可見光的本質是電磁波,可見光其實是是電磁波譜中人眼可以看見的部分,而“看到物體”其實是物體發出(或反射)的可見光進入了我們的眼睛。我們生活的環境中充滿了各種各樣的光介質,不同介質中光的傳播速度不同。根據費馬原理,光會沿着使光線傳播時間最穩定的路線傳播。在均勻的介質(比如温度均勻的空氣或水)中,光路一定是直線;但是當介質不均勻時,光路就不一定是直線了。海市蜃樓、太陽下山晚等等有趣的現象就是由此導致的。
説回到透明物體。我們在生活中大多數“看到透明物體”的現象其實就是光介質不均勻所導致的。我們可以簡單分類討論:
有一種情況是光介質發生了改變。光在界面上會發生折射和反射,和人眼位於界面同一面的光源向界面發射光,反射光進入我們的眼睛,我們就看到了界面的存在。和人眼位於界面不同面的光源向界面發射光,折射光進入到我們的眼睛,也會使我們察覺到中間有透明的物質存在。透明玻璃上的反光,放大鏡的放大效果都是這種現象的體現。
還有一種情況是,同一種的介質由於各種因素影響變得不再均勻,光在其中也不再沿直線傳播。直觀的體驗是夏天的午時站在柏油馬路旁,你會看到空氣中“熱浪滾滾”。這實際上就是由於地面高温,熱量傳遞到空氣中,使得空氣不再均勻,穿過空氣的光線也不沿直線傳播,看起來就像某種物質在空氣中瀰漫一樣。
其實,不光可以説某物質對可見光是“透明”的,也可以説某物質對其他波段的電磁波是透明的。比如,骨頭對X光是不透明的,而其他身體組織對X光卻是透明的,因此我們可以用X光成像看到身體內部,幫助醫生診斷。
最後,我們可以稍微拓展一點。從電動力學的角度,真空才是真正的透明,其他物質都會與電磁波作用並影響電磁波的傳播。另一方面,我們由廣義相對論可知,在大質量的天體附近,時空會發生明顯的彎曲,在這裏傳播的光線也會看起來發生彎曲。之前轟動一時的黑洞照片中的像,其實就是背景光源的光線經過了黑洞附近,發生彎曲的光線被我們觀測到所成的像。因此,和前面討論的類似,我們也能借助時空的彎曲來“看”到透明的真空呢。
by Quesmark
Q.E.D.
**Q5****太空垃圾這麼多,衞星撞到的概率有多大呢?**by Delta. du
答:
太空垃圾是地球周圍零碎的無用人造物體,小到漆片、粉塵,大到一整片飛船的殘骸。目前地球軌道上有1億個一粒鹽大小的人造物體、50萬個彈珠大小的物體、2.3萬個接近或超過壘球大小的太空垃圾,而且其數量每年還以2%~5%的速度遞增。
下圖是太空垃圾模擬圖,而衞星與這些密集物體的撞擊概率是很大的,早在1990年回收“挑戰者號”時就發現其表面與太空垃圾撞擊留下的凹槽多達3.2萬個,平均每天撞擊15次,2016年歐洲空間局(ESA)也在其官方網站公佈艙體被極微小的太空垃圾撞擊留下的密集的槽。只是撞擊的太空垃圾直徑可能不到千分之一毫米,沒有危險性。但大碎片就完全不同,只要與一塊大於10釐米的太空垃圾碰撞,航天器就會遭遇毀滅性打擊,比如2009年2月10日,銥星33號和已經退役的蘇聯宇宙2251號相撞,僅僅4個月後,碰撞產生的太空碎片就已經幾乎佈滿大半個地球上空。而在1億塊環繞地球運行的太空垃圾中,直徑超過10釐米的至少有2.7萬塊。

參考資料:
[1]衞星排隊上天 太空垃圾成災
[2]衞星突然撞上太空垃圾,後果到底有多嚴重?看完大開眼界
by Alan
Q.E.D.
**Q6****自然界中的絕大部分彩色,都可以由三種基色按一定比例混合得到,那麼三基色又是怎麼得到的?**by 奇怪君
答:
“基色”亦稱“原色”,是指不能通過其它顏色混合調配而得到的最基本的顏色,所以對於“原色”,自然就不是“得到”的,而是人為定義的。那我們平時常説的“三原色”,又是如何定義的?為什麼偏偏選擇這三種顏色而非其它顏色?這其實源於人體肉眼對光線的響應。
人的眼睛內通常具有三種類型的視錐細胞(S、M、L),分別能對不同範圍波長的光進行響應。S視錐細胞會對波長在400-500nm範圍內的光進行相應,峯值出現在420-440nm處(藍紫色);M視錐細胞會對波長在450-630nm範圍內的光進行相應,峯值出現在534-555nm處(綠色);L視錐細胞會對波長在500-700nm範圍內的光進行相應,峯值出現在564-580nm處(黃綠色)。

人的S、M和L類別視錐細胞對單色光譜刺激的歸一化響應光譜 | 圖源:wikipedia
若現在要找出三種顏色,能夠分別使其中一種類別的視錐細胞的響應強度遠高於其餘兩種,那麼紅、綠、藍將會是最佳的選擇,故將此三色定為原色。
當原色以不同比例混合時,會產生其他顏色,在不同的色彩空間系統中,有不同的原色組合,可以分為“疊加型”和“消減型”兩種系統。
“疊加型”原色系統中通常包含光源投射時所使用的色彩,以紅色、綠色、藍色作為原色(亦稱為“三基色”)。若將此三原色的飽和度均調至最大並且等比例重疊時,則會呈現白色。這套原色系統常被稱為“RGB色彩空間”,亦即由紅(R)綠(G)藍(B)所組合出的色彩系統。

疊加型原色系統 | 圖源:wikipedia
“消減型”原色系統中通常包含反射光源或顏料着色時所使用的色彩,以黃色、青色、品紅作為原色,聰明的你肯定已經發現,這三個顏色正是“疊加型”原色系統中三種原色兩兩混合後產生的。在傳統的顏料着色技術中,通常以紅色、黃色、藍色作為原色,而現代基本都已採用“消減型”原色系統。若將此三原色的飽和度均調至最大並且等比例混合時,理論上會呈現黑色,但實際上由於顏料等原因呈現的是濁褐色。正因如此,在印刷技術中往往會加入第四種原色——黑色,其與前三種原色組成了“CMYK色彩空間”,即由青(C)品紅(M)黃(Y)以及黑(K)所組合出的色彩系統。

消減型原色系統 | 圖源:wikipedia
參考資料:
[1] 原色
[2] 彩色視覺
by Eric
Q.E.D.
**Q7****作為微小的物質,細胞和原子有什麼區別?為什麼一般都講人體由細胞構成,不講由原子構成?**by 小玫瑰
答:
細胞和原子在體積上區別就已經很大了,某種意義上細胞已經不是微小的物質了。常見的大腸桿菌(E.coli)就已經有2μm長了,遑論哺乳動物長達1m的神經元和鳥類碩大的卵細胞。而碳原子的原子半徑約有70pm,和細胞相比完全不在一個數量級(1μm=1,000,000pm,1m=1,000,000μm)。
同時,細胞和原子在功能上的複雜性完全不能相比,細胞有極為複雜的結構和功能。例如,細胞內常見的液液相分離(LLPS:liquid-liquid phase separation)產生的液滴,其結構和功能都缺乏瞭解。細胞是生命活動的承擔者,我們和路邊的石頭都是原子組成的,但是因為我們人類是細胞構成的多細胞生物,才會有複雜而迷惑的行為。
人體由細胞構成的説法,一方面是歷史形成的習慣,生物由細胞構成,細胞學説的建立是生物學發展史上非常重要的篇章;另一方面以細胞作為功能的主要單元,在研究和教學中更加科學方便。流式篩選篩選的是細胞,細胞培養培養的是細胞,單細胞測序也是對細胞的分羣……以細胞作為基本單元可以很好的將組織和蛋白水平上的差異統一。而細胞乾性、細胞分裂和分化的存在,也將生物體的基本單元限制在細胞水平。
by 某大型裸猿
Q.E.D.
**Q8****為什麼用紙吸管喝可樂會有泡泡冒出來,而且是吸一口就冒一會兒的那種?**by 歪比歪比
答:
上週關於紙吸管喝可樂冒泡問題的解答引起了很多同學的討論(指路No.254 Q5)。為了更好地理解此問題,我進行了簡單的實驗驗證。
實驗用具:330ml罐裝可口可樂,肯德基冷飲用紙吸管,表面粗糙的小石子,一次性筷子,小刀,直飲水機純淨水。
實驗現象:①將表面粗糙的小石子、一次性筷子、紙吸管分別放入三罐剛打開的可樂,均發生了快速產生氣泡的現象,並且放入石子的一罐產生氣泡的速度快很多,而放入一次性筷子和紙吸管時產生氣泡的持續時間更長。肉眼觀察,紙吸管和一次性筷子的粗糙度相仿,石子的粗糙度更高。②當紙吸管插入深度較深時,泡沫會從吸管中湧出。而當插入深度較淺時,泡沫主要在罐口處產生。控制插入深度在適當值,會在吸管內看到穩定在某一高度的泡沫,同時罐口處不斷產生氣泡。③用小刀切割紙吸管,在截面上滴純淨水,發現不論在截面上還是表面上,吸水速度都較慢。

圖1 從左至右分別為放入一次性筷子、紙吸管、石子時的氣泡產生情況

圖2 紙吸管的吸水性能、紙吸管與一次性筷子的粗糙度對比
實驗結論:①可樂本身是過飽和溶液,一旦引入成核位點,過飽和的CO₂就會析出。粗糙度越高,析出速度越快。紙吸管的粗糙表面就是很多的成核位點,這是使得溶解在可樂中的CO₂析出的主要原因。②吸管插入後產生毛細現象,由於泡沫的密度很低,吸管內液麪抬升的高度提高很多。當抬升高度大於吸管在液麪以上部分長度時,泡沫就會源源不斷地從吸管內湧出。抬升高度小於吸管在液麪以上部分長度時,則主要在罐口處產生氣泡。③紙吸管的吸水性很差,在插入可樂後的短時間內能吸走的水分有限,紙吸水帶來的化學平衡移動應當不是造成可樂中CO₂析出的主要原因。
本實驗僅為演示現象,詳細定量研究還需排除温度,物體形狀,放入速度等因素的影響。
擴展討論:原問題中説“吸一口冒好一會”,對此筆者認為,吸管插入時氣泡就已經在產生,吸一口的同時會把氣泡吸上來,之後冒好一會只是氣泡在持續產生。
從可樂中的曼妥思到紙吸管,一杯飲料激發了無數人對科學的好奇。本次實驗用到的都是生活中隨處可見的東西,歡迎讀者自行嘗試,或者提出新的假設和實驗。下次再喝可樂時,可以理直氣壯地説,我喝的是汽水嗎?我喝的是知識~
by 老張
Q.E.D.