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从天而降的牛排能烤熟吗？| No.169

想必大家对那一招

从天而降的掌法一定印象深刻，

那么，问题来了——

从天而降的牛排能被烤熟吗？

这招“如来神牛”乃物理所独门绝技，

可是无价之宝，

我看与在座各位有缘，

给我一个赞，

便传授给诸位吧！

1

Q

在撕纸时，不同方向撕的力度为什么不一样？

by 匿名

A

这是因为纸张内的纤维排列有一定的取向。可以把纸张想象成取向相同的纤维被粘在一起，纤维比粘合剂更难被扯断，用力大的一边相当于是将纤维扯断，而用力小的一边，只是将纤维分开，因此撕纸时，垂直于纤维方向比平行于纤维方向更难撕开。

简单介绍一下造纸的过程：制成纸的第一步，是纸浆被一个叫做流浆箱的装置喷出，纤维被喷出时方向保持一致；第二步，液体纸浆到了成形网上，为了加快滤水的速度，网子左右抖动，纤维交织得更好，但方向大部分还是一致排列的；然后经过压榨，烘干等步骤，纸张就做好了。

这样使得纸张纤维有一定的取向，这种排列特别像棒状液晶分子的排列，可以说纤维的排列具有“各向异性”，这种纸在洇墨或者浸水时，不同方向液体扩散的速度不同，向纤维延伸的方向扩散更快；需要指出的是，并不是所有的纸张都是这样，像宣纸内的各纤维取向随机，哪边撕都一样，可以说具有“各向同性”，滴在其上的墨点扩散成一个圆形（有条件的读者可以自己试试看啊）。如果平时有注意观察的话，有一些布也是一边容易撕开，这是因为机织布具有经纬线，经线更结实，所以裂口与经线平行时更容易撕开，这也可以说是一种“各向异性”。

By 二十三 & Ling

2

Q

为什么看3D电影要用3D眼镜，3D眼镜利用的是什么原理？

by 匿名

A

人眼看东西能有立体感是因为两只眼睛的位置不同，看东西会有两个不同的视角。两个不同视角的内容经过大脑的“脑补”，就产生了立体感。而现在的3D电影拍摄时就模仿了人眼，有两台位置不同的摄像机同时拍摄。放映的时候同时将两台摄像机拍摄的画面播放，如果不戴3D眼镜直接观看，会发现电影有“重影”，这是因为两台摄像机的画面有略微视差。而3D眼镜则能够让左（右）眼只看到左（右）摄像机拍到的画面，从而形成3D的视觉效果。3D眼镜有红蓝眼镜、偏振光眼镜、液晶快门眼镜。最早的是红蓝眼镜，电影放映时，两幅画面分别是红色和蓝色，而红色的镜片可以过滤掉所有的蓝光，蓝色的镜片可以过滤掉所有的红光，这样子就可以使得左右眼看到不同摄像机拍到的画面，从而有3D效果。但是红蓝眼镜看到的色彩失真，体验不佳。后来就出现了偏振光眼镜，镜片是一对透振方向互相垂直的偏振片。在放映时，两个放映机用振动方向互相垂直的两种偏振光将图像放映到银幕上，人眼通过偏振光眼镜观看，每只眼睛只能看到单独一台摄像机拍摄到的一个图像，这样也能有3D效果。液晶快门眼镜则是利用视觉暂留的原理，放映机以极快的频率交替放映左右摄像机拍摄到的画面，而液晶快门眼镜则以同样的频率切换，在放映左画面时，只让左眼能看到，右眼看不到，而放映右画面时，只让右眼能看到，左眼看不到，这种眼镜3D感最为真实。

By 重光

3

Q

为什么不同气体燃烧产生的火焰颜色不一样？

by loser

A

首先我们看到的火焰产生的颜色主要是由于其光的频率不同造成的颜色的差别，因此我们可以从燃烧产生的光的频率这一点来分析。燃烧反应的本质是氧化反应（一般而言），即可燃物与氧气作用产生热和生成物的过程。燃烧会发光是由于物质分子部分动能高，将电子激发到高能态，高能态再退激发到基态产生光子。由于在不同的燃烧环境下，燃烧物不同，分子的外壳层结构不同，导致其光子的频率不同，反映在宏观情况下即为不同的火焰颜色。

另外，对于蜡烛的燃烧过程，火焰是一个以亚音速、自维持传播的局域燃烧区域，即在“火焰”的区域燃烧反应在进行着，因此发光区域在火焰的存在区。其中内焰燃烧时由于含有较碳微粒燃烧，因此其亮度最高。

By Nuor

4

Q

声波和冲击波有哪些区别？

大POS机by 以太海洋

A

声波和冲击波都是波的一种形式。声波的形成是声源振动传播，使周围的空气压强在正常的压强周围上下波动，其波动的振幅可以用分贝来描述，我们日常说的安静环境40~50dB就是根据声波的这一特性来描述的。在地球的环境下，由于声波波动声压有最小值——真空，所以声波的上限为194dB。

但是，当能量足够大，物质声源的膨胀速度大于其传播速度（声速）时，会有冲击波产生。冲击波前的空气来不及对振动发生“反应”便被快速改变，会导致介质中的压强、温度、密度等物理性质发生跳跃性改变（也因此冲击波的上限超过了194dB）。以超声速飞机为例，由于飞机飞行速度会比声音的传播速度快，因此会在其头部和尾部产生冲击波，冲击波经由空气突然达到人耳，人耳鼓膜感受到空气的压强突然变化，就是轰然巨响的爆炸声，也就是我们常说的：音爆。

冲击波能量衰减很快，经过衰减，其波从非线性波变为线性波，也就退化成了正常的声波。

By Nuor

5

Q

请问避雷针的工作原理是什么，有的文章说引雷，有的文章说是因为拉卡拉POS机免费办理尖端放电、电荷中和，从而避雷，想问下事实究竟是什么？

by 匿名

A

避雷针的原理就是远高于建筑物的金属尖端，优先达到尖端放电条件并中和雨云所带的电荷从而达到避雷的效果。尖端放电是一种物理效应，是指在强电场作用下，物体尖端发生的放电现象，其结果就是放电体电荷与雨云电荷中和，一般尖端处总有更大的电荷密度，且越尖电荷密度越大，电荷密度越大则电场越强。在雷雨天气时雨云带有大量的电荷，当其在建筑物上方时会在建筑物上感应出电荷，雨云和建筑物的电荷电性相反，这之间会产生出很强的电场，越高的建筑离雨云越近，越尖则尖端处的电场相对越强，这两个条件都使得建筑物更容易发生尖端放电；如果物体中的电荷不足以中和雷雨云中的电荷或者发生尖端放电的电场强度很高，则物体多半会被强电场瞬间击毁，因此避雷针的要求是金属材料，要尖，要置于建筑物的最高处，并且与大地要有良好的连接，这样一来避雷针就可以优先达到放电条件，在电场不太强时就放电中和雨云电荷，并且与地面的良好连接可以提供大量电荷用于中和，从而保护建筑物不被雷击。尖端放电和电荷中和只是在不同的角度描述这个问题，没有对错的分别，由于避雷针优先与雨云放电，因此某种程度也可以说是“引雷”。

By 二十三POS机费率

6

Q

为什么容器洗到水在上面既不成股流下，也不聚成液滴就算洗干净了?

by 匿名

A

这主要是由水的表面张力与水和表面的吸附力决定的，而且该方法主要适用于玻璃容器。当液体滴在固体表面时，其弯曲的表面与固体表面形成一个角，这个角叫接触角（如图中的角），其大小衡量液体浸润固体表面的程度；一般水在干净玻璃上的接触角小于90°，其表面张力小于水分子与玻璃内原子的吸附力，水浸润玻璃，因此水在玻璃上无法形成水珠；这个接触角对固体表面的污染物很敏感，一般污染物会显著增大接触角。实验室玻璃容器在盛装试剂之后，表面有很多残留物，残留物增大了水在玻璃表面的接触角，水开始变得不浸润玻璃而形成水珠，甚至是成股流下，因此该方法可以用来判断玻璃器是否洗涤干净。另外生活中看到的防水面料，水滴在上会形成水珠，与在玻璃上完全不同，还有荷叶上晶莹剔透的水珠，都是因为水在这些材料表面的接触角大于90°（也可以说是不浸润）。

图片来源：维基百科

By 二十三

7

Q

一块西冷牛排从多高的地方掉下去刚好烤熟？

by 浮生Demon

A

假如牛排从空中的某点开始下落，其下落过程中受到重力和空气阻力的作用，空气阻力反映在迎面而来的阻力和侧面的摩擦力上。空气阻力的大小为F，其与空气密度，迎风面的面积成正比，与速度的平方成正比。所以牛排从静止开始加速到其临界速度（以重250g，迎风面积0.01m²，空气阻力C取0.05，ρ=1.293g/L为例），粗略估计约为6km/s，嗯，超音速了。

之所以要考虑到音速的问题，是因为在空气中速度如果超过了2.5M（马赫，一马赫即一倍音速），就要考虑气动加热（当物体与空气或其他气体作高速相对运动时所产生的摩擦力转为热力的过程）现象了。牛排从高空下落时其速度和压缩空气产生的热量的关系需要复杂的模型计算，具体官方资料可以在：《战术导弹整流罩的气动加热预测》以及《再入飞行器的温度历程计算》中找到类似的计算过程，这里援引参考中的结论：当牛排从70km的高度下落，会获得180℃，60s的加热时间，这大概会得到一个一分熟的牛排？当牛排从100km的高空下落时，牛排外表会被烤焦，但马上会遇到冰冷的平流层暴风，其内部仍然是生的。当牛排从250km的高空落下时，牛排的最高速度可以达到6马赫，这个温度下的牛排表面是焦的，由于时间过短，其内部仍然无法通过热传导被加热，且由于掉落速度过快，焦掉的表面会被风刮走，所以牛排会越来越小。当然，如果事先安排好牛排的形状，是可以得到一块烤好新鲜的牛排的。

但是，考虑到大气中25km的区域内温度都在0度以下，牛排会被冻住且落地后会被摔得粉碎，所以，幻想着可以往高空扔一头牛，在底下等着吃热乎新鲜牛排的你可以放弃这个危险的想法了。

参考：Steak Drop

By Nuor

8

Q

不同高低的声音全部混杂在一起，人耳是如何把音调不同的声音分开的？

by 胖胖

A

说到分辨不同频率的声音，我们首先就会想到傅里叶变换，通俗的说傅里叶变换就是把不规则的随时间的振动分解成一些列强度不同简谐波的数学操作。

Fig 1 傅里叶变换与逆变换

而人耳分辨不同频率声音的奥秘就在于人的听觉系统可以进行“傅里叶变换”，只不过这个傅里叶变换并不如我们想象的那样是大脑的后期处理，而是在耳朵里有着对应的生理结构，这个生理结构就是耳蜗中基底膜。

基底膜随着耳蜗螺旋盘绕，在耳蜗外端，基底膜刚性较大，宽度较窄，能够和振动中的高频成分发生最大共振，在耳蜗内端，基底膜刚性较小，宽度较宽，能够和振动中的低频成分发生最大共振，不同区域的振动使得柯蒂氏器上不同部位的毛细胞发生弯曲，最终变为不同神经上的信号，我们就能分辨出不同频率的声音了。自然造物是多么的神奇，通过这样一种简单的结构，就可以通过物理手段实现傅里叶变换，我们的脑子就不用进行那么复杂的活动了！

需要提到的是，毛细胞是不可再生的，而由于耳蜗外端的毛细胞受外界声音影响更大，所以随着年龄的增长，我们慢慢的会听不到高频的声音。所以，一定要保护好自己的听力鸭！

Fig 2 论文中的耳朵结构图示和人工耳蜗模型

参考文献：

[1] Yooil Kim.Scientific Reports.2018,8,12023

[2] 马赫. 科学哲学演讲录

By J. Baker

本期答题团队：

物理所 Nuor、二十三、Ling、J.Baker、重光

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编辑：不言

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