自行車的踏板前踩可以向前走

后踩為什么沒有向后走？

前推單車踏板不動

為什么后推單車踏板就會動？

問答導(dǎo)航 Q1 既然沸騰水上的白色水汽是水蒸氣遇冷液化成的小水珠，且水的密度比空氣大，那它為什么向上飄，而不是掉下來？ Q2 為什么保持拎重物狀態(tài)沒有做功卻會感覺累? Q3 人曬黑后可以變白嗎？ Q4 烤肉時(shí)水滴落到烤盤上為什么會發(fā)出“次啦次啦”的聲音? Q5 為什么罐頭拍拍底部就容易擰開了？ Q6 為什么往前踩單車踏板單車會向前，往后踩就不會？而且為什么單純推單車不踩踏板時(shí)，往前推踏板不動，往后推踏板又會向后？ Q7 可以講講梅森素?cái)?shù)嗎? Q8 為什么有些物體燃燒產(chǎn)生的是白煙，有些是黑煙，顏色為什么不一樣？還有別的顏色嗎？

Q1 既然沸騰水上的白色水汽是水蒸氣遇冷液化成的小水珠，且水的密度比空氣大，那它為什么向上飄，而不是掉下來?

by 280個(gè)月的好奇寶寶

答：

其實(shí)并不是真的水蒸氣主動向上飄的。這是因?yàn)榉序v的水表面的空氣受熱溫度升高，而熱空氣的密度低向上浮起來，在這個(gè)過程中熱的空氣逐漸遇冷變成小水珠。熱空氣逐漸攀上，沿途被冷空氣變成小水珠，所以給人一種水蒸氣向上飄的假象，其實(shí)就是熱空氣在偷跑而已啦~

by 藍(lán)多多

Q.E.D.

Q2 為什么保持拎重物狀態(tài)沒有做功卻會感覺累?

by 匿名

答：

因?yàn)榧∪饩S持收縮本身就需要消耗能量。雖然在這一過程中，沒有做力學(xué)功（因?yàn)槲灰茷?），但是肌肉需要持續(xù)保持收縮來產(chǎn)生力，從而抵抗重力，使得物體被拎起來。在這一過程中，肌肉細(xì)胞內(nèi)的肌動蛋白（actin）與肌球蛋白（myosin）交替結(jié)合與分離，需要不斷水解 ATP 提供能量。哪怕肌肉是“等長收縮”（沒有改變長度），它也不斷進(jìn)行這些化學(xué)反應(yīng)。這種“等長收縮”雖然不做外功，但仍然高度耗能，導(dǎo)致ATP消耗，在無氧代謝下產(chǎn)生乳酸，肌肉內(nèi)鈣離子水平上升，主觀疲勞感增強(qiáng)。所以簡單來說，雖然這一過程并不做功，但是依然會消耗能量來維持肌肉收縮，在這一過程中產(chǎn)生的生理與代謝負(fù)荷會使得人感到疲勞。

參考文獻(xiàn)：

1. Katz A, Sahlin K, Henriksson J. Muscle ATP turnover rate during isometric contraction in humans. J Appl Physiol(1985).1986 Jun;60(6):1839-42.

2. Russ DW, Elliott MA, Vandenborne K, Walter GA, Binder-Macleod SA. Metabolic costs of isometric force generation and maintenance of human skeletal muscle. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2002 Feb;282(2):E448-57.

by ArtistET

Q.E.D.

Q3 人曬黑后可以變白嗎?

by 匿名

答：

先說結(jié)論：可以，效率取決于代謝黑色素的能力、因人而異。

圖1 黑素細(xì)胞和黑色素 | 圖片源自[4]

為了了解如何變白，先要明白皮膚是如何被曬黑的。在我們皮膚的基底層中，存在著一種長著諸多“觸手”的黑素細(xì)胞（melanocyte）。黑素細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中存在著很多膜結(jié)構(gòu)包裹的橢圓形小體，稱為黑素體。其中的酪氨酸酶在紫外線的刺激下可以將酪氨酸轉(zhuǎn)化為黑色素（melanin）。產(chǎn)生的黑色素會隨著黑素體以胞吐的形式從“觸手”排出黑素細(xì)胞，并被周圍的皮膚細(xì)胞吸收，這樣皮膚看起來就變黑了。必須澄清的是，黑色素的作用是通過吸收和散射紫外線來保護(hù)皮膚細(xì)胞，因此“變黑”其實(shí)是人體應(yīng)對輻射的自我保護(hù)。

圖2 黑色素的形成過程 | 圖片源自[1]

那么從曬黑重新變白的辦法自然就是代謝掉這些黑色素。一方面，我們的皮膚組織是處于不斷的自我更新中的，因此吸收了黑色素的處于表皮基底層的細(xì)胞會隨著新陳代謝逐漸向表面的角質(zhì)層上浮，逐漸失去細(xì)胞核和細(xì)胞器而變成扁平的角質(zhì)細(xì)胞，最終脫落。另一方面，在形成角質(zhì)細(xì)胞的過程中，細(xì)胞也會通過溶酶體水解酶降解以及自噬過程的參與將其中部分的黑色素分解掉。最終，當(dāng)舊細(xì)胞被新的細(xì)胞逐漸代替，人就可以逐漸重新變白了。當(dāng)然前提是在此過程中沒有再經(jīng)歷較強(qiáng)的紫外輻射。

參考文獻(xiàn)：

1. 楊小玉,劉金俊,劉蕾,et al.黑色素的生成代謝機(jī)制及研究方法進(jìn)展[J].China Surfactant Detergent & Cosmetics (2097-2806), 2023, 53(10).

by 云開葉落

Q.E.D.

Q4 烤肉時(shí)水滴落到烤盤上為什么會發(fā)出“次啦次啦”的聲音？

by 多普勒

答：

這是水滴遇到高溫烤盤時(shí)迅速汽化甚至形成萊頓弗羅斯特現(xiàn)象的結(jié)果。當(dāng)水滴落在溫度遠(yuǎn)高于100°C的烤盤上時(shí)，在接觸的瞬間，底部的水立刻被加熱并汽化；迅速產(chǎn)生的水蒸氣“炸開”水滴，使其內(nèi)部劇烈擾動、震動；同時(shí)水滴表面不斷氣化、崩裂、炸裂，在短時(shí)間內(nèi)形成連續(xù)不規(guī)則的氣爆音；就形成了我們聽到的“次啦次啦”的聲音。一般來說，聲音的直接來源就是水滴落在烤盤上的快速汽化現(xiàn)象：由于局部區(qū)域升溫極快，水還沒來得及傳熱擴(kuò)散就已經(jīng)變?yōu)闅怏w，造成“微爆”。而當(dāng)烤盤溫度超過200℃時(shí)，會出現(xiàn)萊頓弗羅斯特現(xiàn)象，水滴與金屬之間形成蒸汽墊，水滴在上面“跳舞”一樣滑動，蒸汽層劇烈波動，導(dǎo)致持續(xù)的“吱吱”聲。

參考文獻(xiàn)：

1. Singla, Tanu and Rivera, M.,Sounds of Leidenfrost drops.

2. Bertola, Volfango. (2024). Acoustic emission of water drops impacting on a heated surface. Atomization and Sprays. 34. 10.1615

by ArtistET

Q.E.D.

Q5 為什么罐頭拍拍底部就容易擰開了？

by 匿名

答：

一般罐頭為了更長時(shí)間的保鮮，會將內(nèi)部抽真空來密封保存，因此產(chǎn)生了負(fù)壓不易打開。通過敲擊瓶底可以破壞掉罐頭的密封狀態(tài)有助于將蓋子和瓶子之間松動，同時(shí)拍打可以使罐頭內(nèi)部的液體劇烈晃動，釋放出少量氣體，增大壓強(qiáng)。那么瓶子在這個(gè)過程中具體有哪些變化呢？

在高速攝像機(jī)下，我們擊打一個(gè)裝滿水的瓶子的瓶口部分，來模擬拍罐頭，在快速的擊打下，瓶子會向下移動一小段距離。但是在慣性的作用下，水不會隨著瓶子移動而是停留在原來的位置。這個(gè)時(shí)候瓶底和水之間有一個(gè)接近真空的低壓區(qū)域，那么水在大氣壓的作用下會迅速向下流動，填補(bǔ)低壓區(qū)。當(dāng)快速流動的水撞擊瓶底時(shí)，瞬間的減速會產(chǎn)生巨大的沖擊力，就會擊碎瓶底。

那么我們反過來拍瓶底也是一樣的，罐頭就是在這樣的敲擊下，水流對罐頭蓋造成巨大的沖擊會使的瓶蓋稍微變形，我們其實(shí)可以注意到敲擊瓶底會使原本平面的瓶蓋變鼓(沒注意到過的，罰你買個(gè)罐頭嘗嘗)，這個(gè)形變足以減小密封罐頭的負(fù)壓狀態(tài)使我們輕松打開罐頭(其實(shí)即使這樣，我還是打不開，我是菜雞沒錯(cuò)!)

參考文獻(xiàn)：

by 藍(lán)多多

Q.E.D.

Q6 為什么往前踩單車踏板單車會向前，往后踩就不會？而且為什么單純推單車不踩踏板時(shí)，往前推踏板不動，往后推踏板又會向后？

by 云里物理

答：

這里面涉及兩個(gè)問題，一個(gè)是自行車后輪由棘輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的單向驅(qū)動，另一個(gè)是由齒輪鏈條傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的腳踏與后輪之間的運(yùn)動關(guān)聯(lián)。

棘輪結(jié)構(gòu)動態(tài)示意 | 圖片源自[1]

上圖展示的是自行車中使用的棘輪結(jié)構(gòu)的動態(tài)示意，其實(shí)現(xiàn)的單向驅(qū)動是顯而易見的。上圖中棘爪被彈簧片時(shí)刻壓在結(jié)構(gòu)的外周，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)棘爪會頂在齒輪上帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，但是順時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)棘爪只會不斷滑動而擊打齒輪，不會帶動其旋轉(zhuǎn)。同樣的結(jié)構(gòu)正是存在于自行車后輪的軸心位置，稱為花鼓。

某型號花鼓結(jié)構(gòu)示意 | 圖片源于網(wǎng)絡(luò)

上圖給出某個(gè)型號花鼓的示意，其中塔基的千斤齒就充當(dāng)棘爪角色，而另一側(cè)的棘齒就是齒輪。當(dāng)塔基旋轉(zhuǎn)方向正確會帶動后輪旋轉(zhuǎn)，而反向轉(zhuǎn)動只會帶來千斤齒擊打棘齒發(fā)出的噠噠的響聲。需要強(qiáng)調(diào)的是自行車花鼓的細(xì)節(jié)構(gòu)造也是多種多樣的，這里講的僅是通用原理，實(shí)際結(jié)構(gòu)有很多變體。

自行車結(jié)構(gòu)示意 | 圖片源自[2]

而飛輪（后輪處變速齒輪）是直接裝在塔基上的，它通過鏈條直接連接在與曲柄綁定的牙盤（腳蹬處的變速齒輪）上。當(dāng)我們踩踏腳蹬，正是讓曲柄帶動牙盤轉(zhuǎn)動，并通過鏈條傳動帶動飛輪和塔基轉(zhuǎn)動，這便是傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的腳蹬與塔基的運(yùn)動關(guān)聯(lián)。很自然地，轉(zhuǎn)動后輪能否帶動腳蹬轉(zhuǎn)動也是利用了花鼓中的棘輪結(jié)構(gòu)。此外也有一種后輪處無棘輪結(jié)構(gòu)的自行車，稱為固齒或死飛，它向后轉(zhuǎn)腳踏會帶動后輪反轉(zhuǎn)，且這種車子無常規(guī)剎車，就是通過反轉(zhuǎn)腳踏實(shí)現(xiàn)剎車的。

參考文獻(xiàn)：

by 云開葉落

Q.E.D.

Q7 可以講講梅森素?cái)?shù)嗎？

by 明

答：

素?cái)?shù)相信大家都在初高中接觸過，也叫做“質(zhì)數(shù)”，它要求在大于1的整數(shù)中只能被1和其本身整除，如2，3，5，7等。但后來人們發(fā)現(xiàn)有一些素?cái)?shù)能夠被寫成 的形式，這種特殊形式的素?cái)?shù)一直吸引著許多數(shù)學(xué)大師。

梅森素?cái)?shù)就是在1897年瑞士蘇黎世舉行的首屆國際數(shù)學(xué)家大會上定義的“ ”類型素?cái)?shù)。其中p是素?cái)?shù)，而如果 也是素?cái)?shù)，那么就是梅森素?cái)?shù)，人們用 來表示它。既然它已經(jīng)被稱為梅森素?cái)?shù)了，那必然和法國數(shù)學(xué)家馬林·梅森有關(guān)，歐幾里得最早發(fā)現(xiàn)梅森素?cái)?shù)和完全數(shù)存在對應(yīng)關(guān)系：若 為素?cái)?shù)，則 必為完全數(shù)(它所有的真因子的和，恰好等于它本身。)，梅森1644年對其進(jìn)行了相關(guān)猜想，并在他的《物理數(shù)學(xué)隨感》一書中斷言：在≤257的素?cái)?shù)中，當(dāng)p=2、3、5、7、13、17、19、31、67、127、257時(shí)， 是素?cái)?shù)，其它都是合數(shù)。前面的7個(gè)數(shù)（即p=2、3、5、7、13、17、19）已被前人所證實(shí)，而后面的4個(gè)數(shù)（即p=31、67、127、257）則是梅森自己的推斷。但是后來人們發(fā)現(xiàn)他的斷言是有錯(cuò)漏的，不過為了紀(jì)念他還是將 類型定為梅森素?cái)?shù)。

在當(dāng)時(shí)那個(gè)紙算筆錄的年代，人們花費(fèi)了308年才找到12個(gè)素?cái)?shù)，而隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們在1644-1992年之間就找到了32個(gè)素?cái)?shù)，在2018年人們發(fā)現(xiàn)了第51為素?cái)?shù)， ，2024年發(fā)現(xiàn)了第52為梅森素?cái)?shù)， ，按照十進(jìn)制計(jì)算有41024320位數(shù)字，比此前最大紀(jì)錄的素?cái)?shù)（24862048位）多1600多萬位。

梅森素?cái)?shù)的分布與黎曼猜想、素?cái)?shù)定理等多個(gè)問題相關(guān)，它有助于我們深入理解素?cái)?shù)的性質(zhì)，所以才會有很多科學(xué)家沉迷尋找它們，不僅如此，尋找梅森素?cái)?shù)，還推動了“數(shù)學(xué)皇后” ——數(shù)論的研究，促進(jìn)了計(jì)算技術(shù)、密碼技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、程序設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。由于梅森素?cái)?shù)的探究需要多種學(xué)科和技術(shù)的支持。許多科學(xué)家認(rèn)為，梅森素?cái)?shù)的研究成果，在一定程度上反映了一個(gè)國家的科技水平。英國頂尖科學(xué)家馬科斯·索托伊甚至認(rèn)為梅森素?cái)?shù)的研究進(jìn)展標(biāo)志著科學(xué)發(fā)展的里程碑。

參考文獻(xiàn)：

1. 曹茜.梅森素?cái)?shù)探究為什么這么火[J].科學(xué)24小時(shí),2021,(12):41-42.

by 藍(lán)多多

Q.E.D.

Q8 為什么有些物體燃燒產(chǎn)生的是白煙，有些是黑煙，顏色為什么不一樣？還有別的顏色嗎？

by 匿名

答：

煙的顏色與燃燒物的成分、燃燒的完全程度密切相關(guān)。

白煙通常是燃燒產(chǎn)生的固態(tài)微小顆粒（如無機(jī)鹽、金屬氧化物）或液態(tài)小液滴（如水蒸氣冷凝）。由于這些顆粒直徑較小，能對光線產(chǎn)生散射作用，因此呈現(xiàn)出白色。例如，蠟燭燃燒時(shí)，火焰上方的白煙就是未燃燒的石蠟蒸氣遇冷凝結(jié)成的固態(tài)石蠟小顆粒；而高溫?zé)煔庥隼鋾r(shí)，水蒸氣會凝結(jié)成霧狀微粒，在視覺上也會形成白色煙霧，這種現(xiàn)象在寒冷天氣中尤為明顯。

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

黑煙則多是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，其中含有大量碳微粒（炭黑），以及由碳、氫、氧、硫等元素組成的復(fù)雜有機(jī)化合物，包括未燃盡的碳?xì)浠衔铩⒎枷阕逦镔|(zhì)、焦油類顆粒和硫氧化物等。當(dāng)燃燒溫度過低、氧氣供應(yīng)不足或燃料霧化不良時(shí)，就容易產(chǎn)生這類黑煙。由于這些顆粒物直徑較大，對光線的吸收能力較強(qiáng)，因此在視覺上呈現(xiàn)出濃密的黑色。

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

除了白、黑兩色，其他顏色的煙霧也很常見。比如，一些黑心工廠為節(jié)省成本，使用劣質(zhì)散煤且未經(jīng)處理直接排放廢氣，這些散煤中含有大量含硫和含氮化合物，燃燒后會形成對人體危害極大的黃煙。而在軍事演習(xí)或救援現(xiàn)場，我們常能看到藍(lán)色、綠色、紅色等彩色煙霧信號。這些彩色煙霧則利用燃燒產(chǎn)生的熱量，使特定的染料受熱升華成為彩色蒸氣，這些蒸氣擴(kuò)散到空氣中后，便形成了色彩鮮明的煙霧。

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

by Sid

Q.E.D.

投票
本期答題團(tuán)隊(duì)

藍(lán)多多、ArtistET、Sid、云開葉落

上期也精彩

編輯：藍(lán)多多