把科学带回家

来源: 中科院物理所

发布日期: 2018-02-08

本文探讨了橡皮擦铅笔字的过程、暖气上方被熏黑的原因、跑步时不摆臂的影响、暖气上方白墙被熏黑的原因、响指打响的原理以及冬天更容易起静电的现象。

橡皮擦铅笔字是怎样一个过程?理解这个问题我们要先理解橡皮擦和铅笔芯的主要成分是什么,铅笔并不含铅,之所以被叫做铅笔是由于历史原因。古希腊罗马时期人们使用铅棒写字,后来14世纪开始出现类似现在的铅笔,目前市面上卖的铅笔的芯主要是石墨和黏土按一定比例混合制成的,分别用H和B来描述铅笔芯的硬度和石墨的含量,其中H前面的数字越大代表混合用的黏土越多,铅笔芯也就越硬。

同理,B前面的数字越大写出来的字迹就越黑,同时铅笔芯也就越软。在石墨里边碳原子呈现层状的排列,层与层之间非常容易滑移铅笔芯里面的石墨颗粒在你写字的时候就粘在纸纤维上了。而橡皮擦的主要成分是橡胶,能够吸附粘在纸上的石墨。但是天然的橡胶不容易掉屑,粘在上面的石墨把橡胶变黑再去擦字反而会越擦越脏。

后来人们向橡胶里边加入硫等物质,这样在擦字的过程中橡皮擦吸附石墨的部分就会团在一起变成碎屑掉下来,这就是现在的橡皮擦啦。

为什么越高的地方温度越低?从大气的受热过程来看,地球大气对太阳辐射吸收较少,大部分太阳辐射能够透过大气射到地面;而大气对地面长波辐射吸收得却比较多,地面辐射放出的绝大部分热量能够被大气截留下来,所以,地面是近地面大气主要、直接的热源。结合本题来看,越高的地方受到的地面辐射越少,所以温度就降低了呀。跑步的时候不摆臂会怎样?这个问题实际上科学家还没有完全搞清楚,有些论文发表但是没有定论。

比较公认的说法是为了平衡腿在前进过程中产生的角动量。什么是角动量呢,你可以理解为一个让描述物体保持旋转的惯性的一个量(就像是动量是描述让物体保持运动的一个量),比如陀螺,陀螺在旋转的时候如果没有外力矩的作用,角动量是不变的。跑步与走路摆臂的原理类似,这里以走路为例。

人体在前进的时候,地面对人的摩擦力给人体一个力矩,产生一个角动量,这个角动量,所以与陀螺类似,如果没有外力矩的作用,人体趋向于以这个方式旋转下去。这会使人趋向于摔倒,为了不摔倒,人体的上肢会做一个相反的运动来产生相反的角动量来抵消腿部产生的角动量。另一个角度解释这个问题是从能量出发。

密歇根大学的科学家发了一篇文章描述他们分别比较正常走路、把双臂绑起来走路、保持双臂背后走路和顺拐情况下人体走路所消耗的能量,发现正常走路消耗的能量最低,比双臂背后少12%,比顺拐少26%!科学家甚至把双臂绑起来,这样走路就减少了摆臂所需要的能量,但是即使如此还是比正常走路要多消耗6%的能量。

原因是因为摆臂减少了腿部推动身体前进所要消耗的能量,当你移动腿的时候,身体也会跟着移动,但是上肢的移动减少了身体移动所需要花费的能量,所以能够比完全不摆臂消耗更少的能量。

为什么暖气上方的白墙会被熏黑?暖气片用久了以后会在墙面上形成一道道痕迹,就像图中的情况一样。这是为什么呢?因为暖气工作时会在周围产生热空气,热空气比冷气体轻所以就会向上飘,热空气上升就会产生低压区,这需要附近的冷空气来填充。这个过程的整体效果是在室内产生了气流。气流会带动室内的灰尘,当灰尘和墙壁碰撞时就有可能吸附在墙壁上形成一道道痕迹。响指是如何打响的?

要想知道响指如何打响,首先就得分析出响指的声源在哪里。我们晓得声音是靠机械振动产生的。那么响指的声源在哪里?指头?显然不是,指头的振动频率达不到人耳可听到的程度。其实响指的声源在于手指与手掌形成的空腔。以中指拇指响指为例,无名指小指与手掌形成空腔。像这样:中指的快速拍打引起全腔内全气柱的振动,产生具有一定频率的驻波,发出声响。这一点很容易证明,当把全腔打开时,就听不到响指的那个声响了。

为什么冬天更容易起静电?这不正是磨擦起电么?还记得刚开始学电学的时候,就学过:“规定丝绸磨擦过的玻璃棒带的电荷是正电荷,用毛皮磨擦的橡胶棒带的电荷是负电荷”。至于电荷的来历,物质都是由原子组成,而原子内有带负电的电子和带正电的原子核。磨擦过程中发生电子转移,使一物质电子能增多(带负电)而另一物质电子减少(带正电)。当积累的电荷比较多时,突破临界电压,就会出现放电现象。

人类正是从磨擦起电开始来认识电现象的。即使问题上描述的现象,裤子上带电,多半也是在穿或者脱的时候,才会看到比较剧烈的放电现象,也正是由于这个时候的磨擦最剧烈。比较有趣的是摩擦是不分季节的,但为什么静电现像在冬天会比较常见呢?主要有两方面原因。一是冬天的衣物含有大量化纤成份,这些与毛制品磨擦更易起电。二是冬天空气干燥,而夏天空气湿润。而湿润的全气会使衣服也相应湿些。

湿润的空气和衣服利于电荷转移,电荷积累不到一定的数量电压不够,就不会出现放电现象。如何避免这种频繁“电击”呢?起电是阻止不了的,毕竟不能不穿衣服。那么就要想办法将电放出去。办法很简单,就是时不时的触摸金属物质。由于电荷更容易在曲率大的地方汇聚,所以触摸带有“尖端”的物体(如钥匙)效果更佳。

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