荷叶为什么打不湿?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2017-06-02 09:49:28

本文通过问答形式,详细解释了荷叶不湿的原理、晒太阳补钙的机理、肌肉提起水桶时的能量转换、耳机降噪的原理、疏水相互作用、量子测量中的状态不确定性、汽车高铁飞机表面设计对空气阻力的影响、以及爱因斯坦质能方程的推导。

荷叶为什么打不湿?

荷叶不仅出淤泥而不染,出水也不染;大珠小珠落玉盘,风致总堪清雅。如此傲娇,你凭啥呢?

荷叶表面的水为什么成球形?

我们触摸荷叶的表面时会发现一些粗糙的结构,这是因为荷叶的表面有很多个微米级的蜡质乳突结构。如果我们用电子显微镜接着观察这些结构,会发现这些结构表面又附着着与这类结构相似的,但是却更小的纳米级颗粒。这些称为荷叶的微米—纳米双重结构,这一类结构排列非常紧密,以至于在其周围形成了类似于气垫的东西,就是这些气垫造成了荷叶疏水的特点。

晒太阳真的能补钙吗?

从机理的角度讲,晒太阳补钙,是因为太阳中的紫外线促进了钙的吸收。太阳中紫外线UVB波段照射皮肤中皮下胆固醇的衍生物——7脱氢胆固醇的时候,会生成25-(OH)D,这种物质经过肝脏和肾脏的羟化后生成1,25-(OH)D,它就是维生素的活性形式。它与维生素D受体结合,形成与钙吸收相关的一系列蛋白质,能够有效促进肠钙吸收。

但是问题来了,紫外线中UVA波段对人皮肤的伤害也是妥妥的,最典型的,就是会被晒黑。此外,皮肤老化(皱纹)和皮肤癌也是过度日晒的风险。而且,玻璃能有效阻挡UVB,却不能挡住UVA。

那么问题来了,晒还是不晒呢?答主建议,在户外晒太阳时,夏季每周两三次,每次不超过半小时,即能维持25-(OH)D在正常范围内,每次露出手和胳膊即可,同时注意要避开暴晒。

1人用手提着水桶不动,肌肉没有做功,那么此时人的能量是如何转换的?

很有趣的问题,本答主在中学刚学物理时也有类似的疑惑。如果把肌肉看成一个点,那确实没做功;可肌肉不是质点呀,它是一个复杂的、具有内部结构的质点系呢,其内部相互作用也会做功。实际上,要能提起水桶,肌肉就需要绷紧。而肌肉本身是由许多纤维蛋白交错排列组成的,包括粗肌丝、细肌丝、横桥等,具体结构请自行搜图。

大脑命令肌肉绷紧时,纤维之间不断地相对滑动以保持绷紧状态,这一过程是要消耗ATP的,即消耗人体内物质的化学能,而转化为机械能和内能。当然,手腕上戴着手表自然下垂,不引起肌肉绷紧,也就不会额外做功。

一个有趣的现象是,很多鸟类是抓着树枝睡觉的,为了不把宝贵的能量消耗在无聊的抓树枝事业上,它们的腿脚拥有一套特殊的由肌腱和骨骼组成的锁扣机关,肌肉放松时脚部自然抓紧,而放开树枝时才需要用力,这与我们正好相反。

耳机降噪的原理是什么?

降噪方法分为被动降噪和主动降噪。前者指的就是普通的隔音了,利用硅胶塞等在耳洞内形成封闭空间,阻挡外部噪声传入。这种方法的特点是容易滤去高频噪声,而对低频噪声过滤效果不佳。不信你用手指堵上耳朵,尖刻的声音明显减弱,而机器轰鸣等低沉的声音却依然明显。

不过我猜你更关心的应该是主动降噪,对此本答主只能摇摇头了……不是不知道,而是请你一起摇头,注意观察:摇头的时候还可以看清手机屏幕上的字吗?

差不多可以的,这说明头部转动并没有给眼睛带来太大的扰动,这是为什么呢?因为眼睛感受到视野变化的信息后,会及时传给大脑,大脑给眼睛一个反向转动的命令,从而与脑袋的转动角度几乎抵消,减少视野的晃动。主动降噪耳机也是类似的原理,利用麦克风感受周围的噪声,传给芯片,再让扬声器发出一个与噪声等振幅、反相位的声音,从而与原噪声相互抵消。这种方法对低频过滤效果非常好。

但频率太高时,可能会遇到电路延迟及波长减短带来的相位误差问题。因此两种降噪方法合二为一的效果更佳。

生物化学里面讲的疏水相互作用究竟是什么作用力?它都有哪几种类型?有什么影响因素?

疏水相互作用是通过疏水物的疏水基与水相互排斥作用而发生的,疏水基一般是非极性基。这种作用使疏水基相互靠拢,同时使水相互集中并更大程度地结构化。在常温下(25°C),非极性分子进入水中会导致周围水分子呈有序化排列使熵大量降低(dS<0),自由能的变化(dG)最终是正值。因此常温下疏水效应是一种熵效应,低溶解度是由于熵的减少。

为了减少有序水分子的数量,非极性分子有聚集在一起形成最小疏水面积的趋势,考兹曼(W.Kauzmann)1959年指出,为了减少暴露在水中的非极性表面积,任何两个在水中的非极性表面积将倾向于结合在一起。保持这些非极性分子聚集在一起的力则称为疏水相互作用(Hydrophobic interaction)。疏水作用的强度与非极性分子之间的任何内在吸引无关,受系统获取最大热力学稳定性驱动。

一般来说,非极性区域(或称疏水基团)越多,面积越大,疏水作用越强;温度越高疏水作用越强,但前提是温度不得破坏水中的氢键,氢键破坏越多,疏水表面对氢键形成的干扰越小,疏水效应越弱。

在测量一个粒子的状态之前,是如何知道这个粒子的状态是不确定的的?

这涉及到量子力学的基本原理,也关系到对“测量”这个概念的理解。其实无论是经典测量还是量子测量,在测量以前,如果我们对被测对象缺乏必要的信息,我们是无法知道该对象的状态的(包括一个物理量是否是一个确定值),只不过我们认为经典情况下,被测对象的所有物理量在测量前后都是不变的。

然而量子测量是在测量的时候,粒子塌缩为所测物理量的本征态,之前的态在测量的瞬间被改变。

这个时候我们才知道哪些物理量是确定的,哪些是不确定的。所以可以这样讲,因为我们知道哪些物理量是确定的,所以我们才知道哪些物理量是不确定的,又是怎么不确定的(量子特性使得一个物理量是确定的,另外一个未必是确定的,比如位置和动量)。我们可以事先制备好一些相同的态进行测量(这样的测量仍然有意义,因为可能无法直接获知测得某个值的概率)。

而制备的过程,本质上也是测量的过程,即,测量一个物理量,使系统塌缩为一个该物理量的本征态。

汽车、高铁和飞机的表面能不能做成高尔夫球那样表面坑坑洼洼的样子,从而减小空气阻力,减少燃油或电力的消耗?

一个物体在空气中运动所受阻力的来源主要有两部分:一部分是摩擦阻力,又叫粘滞阻力,也就是和空气摩擦产生的;另一部分是压差阻力,是运动物体前方高压区和后方低压区产生的压差引起的力。

我们都知道,一块垂直在空气中运动的平板会受到较大的阻力,如果把平板前方(左侧)的高压区用半椭球状的物体填满(如图),那么气流在前方早一点贴合物体,就会使前方压强变小;如果把平板后方的湍流区用一个圆锥状的物体填满,那么后方的气流就会相对较晚地分离,使得后方压强变大,这样就能够减小压差阻力,这就是流线型减阻的原理。

高尔夫球的阻力主要是形状所致的压差阻力引起的,摩擦处于次要地位,凹坑可以延长后方气流的分离时间,减小压差阻力。而飞机本身接近流线型,摩擦阻力占主导,所以凹坑增加反而不利于飞行,何况还要考虑材料强度、成本、外形美观等等各种因素。其实,飞机和某些车上为了增加气流在物体后方分离的时间,还装配了涡流发生器,可以大幅降低阻力。

爱因斯坦质能方程是怎么推导出来的?

设想有一个静止的原子,这个原子向南北各发射一个相同的光脉冲。假设光的总能量为E,每个脉冲的能量就是E/2,那么发射光脉冲后,这个原子就损失了能量E。每个光脉冲具有等大反向的动量。整个系统动量守恒,能量也守恒。但是,情况在运动参考系中没有那么简单了。如果我们相对于原子以-v运动,我们将看到什么呢?光的速度依然是c,这是相对论的要求,但是传播方向将偏离南北方向(此为光行差现象)。

原子在发射光子前后都以v的速度运动(对比静止参考系中原子发出光前后的静止),动量应该没变。而发射出的光子由于偏离南北方向,所以存在一个v方向的动量。这部分多出的动量是哪来的呢?难道在运动的参考系中动量不守恒么?不可能,因为物理定律在任何参考系中都是一样的。唯一可能的解释是,原子损失了一部分动量,能够弥补光脉冲的动量,而原子速度是不变的,由此推论,要使动量变化,原子只能损失一部分质量!

根据经典电动力学,每个光脉冲具有的动量为E/(2c),在v方向上的动量还要考虑光行差角,两个光子总的动量即为v×E/c2。这应该是原子损失的动量,那么原子损失的质量为E/c2。这就导出了质能方程E=mc2。爱因斯坦的伟大在于看到了方程背后的物理:即能量变化总是伴随着质量变化,反之亦然,和变化的机制无关。质量和能量乃同一事物的不同侧面,在广岛和长崎被惨烈地证实了!

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