Q.E.D.
要造多大一双翅膀才能让我们自由飞翔?
Q1
小时候经常去玩地摊上的激光枪打气球,发现摊主补气球的时候如果气球掉到地上,捡的时候气球很容易爆炸,而如果没有落到地上的话就算用指甲轻轻掐也不会爆。这是为什么呢?答:我觉得气球可能不是被捏爆的,而是被“烫”爆的。今年夏天,大家应该都很有体会,太阳直射下,地面的温度其实是很高的,午后的太阳甚至能把沥青路面晒到融化,但其实气温没有那么高。
这是因为地面直接接收来自太阳的辐射,而空气主要靠地面辐射加热,再加上地面比热容小,空气导热性差,种种因素导致地面温度可能会远高于空气温度。如果摊位是设在夏日午后的普通路面上,掉落地上的气球就有可能因为接触到了高温的地面,高温导致气球,也就是橡胶,局部受热导致机械性能下降,无法承受高压,这样,轻轻一捏可能就爆炸了。而正常的气球各处完好,橡胶尚有弹性,轻轻一捏也只是发生形变,不至于爆炸。
Q2
为什么北方的冬天下大雪从来不打雷,而夏天下雨会电闪雷鸣呢?答:打不打雷和下雨还是下雪没关系,夏天之所以更容易打雷,简单来说,是因为夏季天热且水汽充足,更容易出现雷雨天气。雷雨天气是一种强对流天气。强对流天气是气象学上所指的发生突然、移动迅速、天气剧烈、破坏力极大的灾害性天气,主要有雷雨大风、冰雹、龙卷风、局部强降雨等,是仅次于热带气旋、地震、洪涝之后第四位具有杀伤性的灾害性天气。
强对流天气一般尺度较小,一般水平范围大约在十几公里至二三百公里。生命史短暂,具有突然性。强对流天气的原因就在于空气强烈的垂直运动。最典型的就是夏季午后的强对流天气:白天地面不断吸收太阳的辐射,温度上升,同时放出辐射加热大气。近地面大气温度上升,膨胀,在浮力作用下上浮,如果水汽充足的话,就会形成一个上升的湿热空气流。
当上升到一定高度时,由于高空气温下降,水蒸气饱和凝结成水滴,这就是积云,高层的积云可能还会有冰晶。雷电一般就产生于对流发展旺盛的积云中,由于对流,积云中冰晶的凇附,水滴的破碎以及空气对流等过程,都会使云中产生电荷。云中电荷分布比较复杂,不同的云可能带有不同电性的电荷,带电的雨云会使大地感应出相反电性的电荷,当电势超过空气击穿强度之后,就会对地放电。
带有不同电性的雷云之间也有可能放电,这就是云间闪电。
Q3
为什么电风扇扇叶在高速旋转时,可以变成透明的?答:人的眼睛是有视觉滞留效应的。研究认为人眼的帧数认为大约24Hz,这意味着人眼观察一个场景就会停留1/24秒的时间,而电风扇的转速频率一般能达到40Hz以上。这就引出了人眼的视觉滞留效应,即人眼的识别速度跟不上风扇的转速,在物理学上叫做采样频率不足。
还有一个好玩的例子能验证你的眼睛帧数到底精确是多少,你让你的眼睛盯着可以人工调整风扇频率的扇叶,随着频率的增加,你会看到风扇扇叶不动了,这时候风扇的这个频率就是你眼睛的帧数啦。
Q4
如果一个体重80公斤的成年人想要飞上天,需要多大面积的翅膀和扇动频率?
答:扇动翅膀产生升力这一过程涉及到流体力学的多种现象,尤其是在处理过程中空气必须看作非定常流体,这样的体系大都无法得出解析解,只能数值模拟再用实验验证。而且翅膀本身也大有可研究的地方,比如翅膀的形状、材质,扇动翅膀的角度范围等等。甚至扇动的动作方式也要做选取,例如昆虫飞行主要是利用翅膀挥动时还会绕翅膀前缘旋转,而鸟类主要靠内外翼的折叠与展开,这样都能产生下拍和上挥的不对称,从而获得升力。
所以很抱歉,这个问题我无法给出精确结果。我倒是搜到生物学家Pennycuick对32种鸟类(质量范围从20g到5kg)统计回归给出的经验公式,其中是翅膀扇动频率,是鸟的质量,是重力加速度,是翼展,是翅膀面积,是空气密度。
Q5
防晒霜的原理是什么?答:首先需要明确,防晒主要针对阳光中的紫外线(UV)。按照波长由长到短,紫外线又分为UVA、UVB和UVC三个区。
市面上的防晒霜主要分为无机型和有机分子型两类。无机型核心成分的代表是二氧化钛,其作为一种n型半导体,禁带宽度约为3.2eV。根据公式可得,恰好接近可见光与紫外光的分界阈值400nm。这意味着几乎所有紫外光都有足够的能量将二氧化钛价带的电子激发到导带,因此二氧化钛对这类光有强烈的吸收。而所有的可见光则没有足够的能量,即二氧化钛对可见光透明。
Q6
为什么用吸管喝饮料喝到最后一口时会发出很响亮的声音?
答:吸管伸入液面以下并从A处吸气,吸管内气压变低,而C处吸管侧方的孔洞保证瓶内D的气压为一个大气压,因此气压差使得液体流入吸管。当饮料足够少,吸管口无法浸没在液体中,此时在A处吸气气体可以从B处流入吸管补足,因此饮料无法通过压力差被吸上来。然而B的气流是很强的。假定从A处用时0.2s吸入了100mL气体,且吸管截面积是0.5cm^2,则B处气体的流速就可以达到10m/s,相当于5级风的风速。
这样的气流足以通过摩擦剩余饮料液面并将其搅动。
Q7
为什么月亮刚升起来的时候比升到天上看起来更大呢?
答:在景山上看地平线远处的月出,你会感觉上边那条黄线更长。那是因为,在有铁轨作为参照物的情况下,我们会默认每条轨枕的实际长度一样长,只是距离的远近导致它们在图片上呈现出不同的长度。更直观点的还有这张视错觉图,两个球的大小其实是一样的。
Q8
不同波长的光在水中的速度一样吗,如果不一样,红外波长(1-15微米)在20℃水的传播速度是多少?答:不一样,因为光在介质中的传播速度或折射率会随波长改变,这就是光的色散。经典的色散理论认为,光与物质的相互作用导致了色散效应,因为相对介电常数联系着宏观上的介质极化强度与电场强度矢量。
对光透明的介质,其折射率随波长增加而减小,称为正常色散;而在介质对光有强烈吸收的波段,其折射率随波长增加而增大,称为反常色散。虽然你不会看,我也知道你不会看,但我还是把公式摆在这里。最后回到问题本身,查阅资料我们可以得到水的折射率随波长变化的曲线。