⼿⼼⼿背都是⾁,只有指头起褶皱?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2023-09-08 13:06:28

本文讨论了多个科学问题,包括煮粥溢锅的原因、弹簧腐蚀后的能量转化、搬重物时的力学原理、太空中的质量测量、皮肤起皱的神经调节机制、引力常数的变化、旋转天体的引力效应以及离体植物组织的光合作用。

回想起⼩时候被妈妈叮嘱看锅但因看电视忘记终于溢锅⼀⽚狼藉最后被骂这件事。溢锅这个现象原因也简单,往往发⽣在煮粥、煮⾯后期剧烈沸腾的时候。这个时候,⽔与⾯粉充分混合形成较为粘稠的混合物,⽽⽔⼤量汽化为⽔蒸⽓并形成⼤量泡泡。正常情况下,⽐如烧⽔的时候,泡泡会轻易上升到表⾯然后破裂。但是煮粥时候形成的糊糊表⾯张⼒和黏度都⽐⽔⼤,泡泡难以上升到表⾯,也难以破裂,最终越积越多,越升越⾼,最终导致溢锅。

往往这时候我们打开锅盖,⽓压和温度⻢上会降低,泡泡很快就会⼀层⼀层脆裂⽽退去。如果还不⾏,就拿个凉勺⼦搅拌⼀下就可以⽴即⻅效。不过这些都需要在锅前守着,最好的办法还是控制好⽔的量使之和锅匹配。听说加⼀点油也可以起到效果,如果有更好的办法,欢迎⼤家在评论区交流。会变成热,耗散在溶液中。弹簧的弹性势能来源于弹簧中原⼦间的相互作⽤。对于我们常⻅的⾦属弹簧,原⼦倾向于整⻬地排列成晶格。

原⼦待在平衡位置上能量最低,当⼈们挤压弹簧时,弹簧发⽣形变,在微观上就是晶格发⽣畸变,原⼦偏离平衡位置,因此能量升⾼。弹性势能就是这样储存在弹簧中。弹簧被腐蚀时,构成它的原⼦(成为离⼦)离开固体,被压缩的弹簧中原⼦由于偏离平衡位置,处在更⾼能量的状态上,脱离固体所需能量更少,因此脱离后动能更⼤。最终溶液中微观粒⼦具有更⼤的动能,也就是弹簧的势能转化为溶液的内能。

这其实是个⼒学问题,只不过由于⼈体结构的复杂性有点迷惑性。虽然看整体⽽⾔,⼈要承受的都是这个重物的重⼒,但是不同姿势下⼈局部肌群所要付出的代价却是不同的。先举⼀个⽐较简单的例⼦:健身房基本动作——哑铃侧平举。哑铃侧平举示意(确信)⼀个5kg的哑铃如果只是拎在⼿⾥,甚⾄可以忽略其存在,但是如果两臂平举保持不动,⼏秒钟后就会有明显的疲劳感。

这是因为⼿臂平伸时以肩膀为转动中⼼,哑铃的⼒臂基本是整个⼿臂的⻓度,然⽽肩部肌⾁发⼒的作⽤点却离转动中⼼很近。这意味着肩部肌⾁要使出数倍于哑铃重⼒的⼒才能保证两个⼒矩相抵。⾃然会觉得累。搬重物的情况下⾯看看相对复杂的搬重物的情况,⼀旦重物放在⼿⾥,我们就会不⾃觉后仰(⾮战术~),因为要⽤上半身的重⼒去平衡掉持有重物时带来的⼒矩,保证腰不会弯下去。

重物离身体越远,往后仰的程度越⼤,否则腰部和背部可能会付出巨⼤代价⽽受伤。虽然这两个⼒相对腰部的⼒矩平衡了,但不同后仰程度的疲劳程度却不同,因为这两个⼒相对其他关节⽐如肩关节都是有⼒矩的,所以上半身的很多肌群包括颈部肌群都要因为后仰以及⼿臂的相对平伸⽽发⼒。不难看出,身体越接近直⽴,即物体越接近身体,各个部分要克服的⼒矩就越⼩,这便是会省⼒的原因。

在⼈类遇到过的⼤多数情况中,让航天员在太空动⼿测质量并不是⼀件特别有必要的事。⼈造航天器及携⾏物品的质量很容易在发射前测出;燃料的质量可以由体积和密度算出;⽉球及⽕星上的采样活动如果必须称重,可以⽤当地星球上的重⼒换算——这是中学物理的内容。必须在失重环境下进⾏的质量测试可以不⽤⼆⼒平衡,⽽是利⽤⽜顿第⼆定律。将待测物体(⽐如航天员本⼈)固定在测试结构上并使其获得⼀加速度。

⽤测试结构施加的⼒除以这⼀加速度即可。这⼀过程中所需的测量量仅有⼒、位移和时间,都可以利⽤压电或光电元件在太空中⽅便准确地测出。⻓时间被⽔浸泡后,起褶皱的并不是全身⽪肤,⽽仅仅是⼿指和脚趾的⽪肤。起褶皱的过程并不是⼀个单纯的由于细胞内外渗透压差引起的细胞吸⽔现象,⽽是由神经系统调节的反射。当破坏⼿指的交感神经后,这种褶皱现象就会消失[1]。这也是为什么⾆头和⼝腔内壁时刻处于潮湿状态却不会起褶。

因为⾆头上没有这种神经反射。起皱现象在⼈类和灵⻓动物身上都有被观察到。那么再聊⼀点题外话。既然这种起皱反应是由神经控制的,那为什么⼈体会进化出这种神经反射呢?有科学家研究了这种褶皱的纹路,发现这种纹路与海⻆天然形成的排⽔通路⾛势相近[2]。图(a)为⾃然界中海⻆排⽔⽹络示意图;图(b)为⼿指起皱后上⾯的沟槽和边界。蓝⾊为排⽔沟道,⿊⾊为突出部分。

| 图源:参考⽂献[2]在潮湿环境中,当⼿或脚接触到有⽔的表⾯时,⽔可以由这种褶皱快速导出,这样可以避免打滑,更⽅便我们进⾏物体的抓握。从实验⻆度出发,没有证据证明引⼒常量G不随时间变化。我们在推⽂科学家做⼀个实验,我就得胖三⽄?中介绍过,⽤⼀种新的测量⽅法测到的引⼒常量⽐传统扭秤法测到的数值⼤约2.2%。⽬前不能确定这⼀差距是来源于不同⽅法的系统误差还是引⼒常量本身的变化。

推荐数值CODATA-02和CODATA-06及其采⽤的⼏个测量不确定度⼩于50ppm数据⽬前许多理论也预⾔了引⼒常量可能的变化。在标量-张量引⼒⽹络理论中, 引⼒常数被认为是由⼀个标量场的平均值的倒数所决定, ⽽标量场⼜是与宇宙的质量密度相关的,这可能暗示宇宙不同位置的引⼒常量不同。如果站在经典⽜顿⼒学的视⻆下看,没有区别!

我们可以⽤微积分严格地证明⼀个质量为M的球体在球外某⼀点处产⽣的引⼒场等价于M集中于球⼼时所产⽣的引⼒场,⽽不管这个球体是否旋转,因为不影响质量分布!但是⼴义相对论告诉我们,情况不是这个样⼦的。

直观来说,回忆那句解释⼴义相对论最著名的话:“物体告诉时空如何弯曲,时空告诉物体如何运动”,从这个⻆度上,物体与时空相互影响,由此转动起来后的天体就像扔⼊⽔中的陀螺⼀样,不可避免地影响周围环境(当然这只是直观上的理解)。我们这种旋转的质量对时空额外造成的影响为参考系拖曳。对于带电的⼩球,静⽌时⼩球只产⽣电场,旋转起来后却会产⽣磁场,类⽐⽽⾔,研究旋转质量所带来的影响相关领域被称作“引⼒磁学”。

⼴相的理论很优美,但是推导起来也着实复杂,因此这⾥我们只现象上的介绍。⾸先参考系拖曳对于⼩质量、低速的⽜顿世界会带来微⼩修正。其中⼀个⽐较著名的为Lense-Thirring进动。考虑⼀个在绕地轨道上旋转的陀螺(⽐如在卫星上放置⼀颗⾃由的陀螺)。陀螺的旋转轴会绕某个轴旋转,这种现象称为进动。先说答案,离体的植物组织依然可以维持相当⻓时间的活性,包括光合作⽤和呼吸。

光合作⽤本质上,是含有光合⾊素的蛋⽩(⼀般为PSⅠ和PSⅡ)利⽤光能,将氧化还原电位抬⾼,抬⾼的电位可以在其他蛋⽩的介导下转化为化学能。这⼀过程仅在叶绿体内膜上完成,所以理论上,条件适宜时仅有叶绿体存在,依然可以较短时间内维持光合作⽤,如果保持了细胞或者组织完整,则可以进⼀步延⻓光合作⽤的时间。离体组织的活性保持其实有很多应⽤,园艺上常⻅的扦插,便是将根茎叶等组织插⼊适宜基质中完成植物的繁育。

植物学中的组织培养也是在植物激素诱导下,实现植物细胞脱分化和再分化并发育成个体。所以沙拉中切碎的沙拉,不仅可以保持光合作⽤和呼吸,还可以通过组织培养,再次发育成⼀整颗⽣菜。

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