鉴定热⼼读者提问的超光速事件

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2022-12-09 20:31:59

本文通过回答多个科学问题,如为什么筷⼦越短越难掰断、充电式暖⼿袋⾥装的是什么液体、为什么暖宝宝在袋⼦⾥不发热⽽拆开贴上后就会开始发热等,展示了物理和化学原理在日常生活中的应用。同时,讨论了超光速现象的科学解释,以及一些看似违反物理定律的现象背后的科学原理。

Q1

为什么筷⼦越短越难掰断?这是由物体的剪切模量和杠杆原理决定的。对于某种材料⽽⾔,剪切模量决定了物体在受到横向应⼒时的应变强度。剪切模量是指剪切应⼒与剪切应变之⽐。其定义为:G=τ/θ,其中G(Mpa)为切变弹性模量,τ为剪切应⼒(Mpa),θ为剪切应变(弧度)。τ=F/A,F为物体收到的切向应⼒,A为物体的横截⾯积。θ=Δx/l,Δx为⾯的位移,l为位移⾯之间的距离。

剪切模量由剪切模量的表达式可以看出,要想让筷⼦内部产⽣⾜够的切应⼒F来折断筷⼦,我们需要让筷⼦的两段产⽣⾜够⻆度的同向位移,这会形成⼀个杠杆状的结构。假设筷⼦在折断时内部的应⼒为F,当筷⼦较⻓时我们的动⼒臂较⻓⽽阻⼒臂较短,因为可以⽤较⼩的⼒来折断筷⼦。当筷⼦较短时,我们很难找到⼀个较⻓的动⼒臂来发⼒,因此会需要很⼤的⼒。

Q2

充电式暖⼿袋⾥装的是什么液体?

装的是过饱和醋酸钠溶液。它不导电,导热性好。另外醋酸钠在升温时溶解度增加,会进⼀步溶解并吸热,在降温时溶解度会降低,此时它会从溶液中析出并放热。这样⼀来⼀回,储热性能也更⾼些。现在也有固体暖⼿袋了,安全性能更⾼,就是成本还有点⼩贵,相信随着技术的进步会慢慢取代液体暖⼿袋。

Q3

为什么暖宝宝在袋⼦⾥不发热⽽拆开贴上后就会开始发热呢?

这是由暖宝宝的发热原理决定的,即内部的铁粉与空⽓中的氧⽓发⽣化学反应放热。由于外包装隔绝了空⽓,因此未拆开包装的“暖宝宝”⽆法发⽣反应,直到拆开包装后才能发热。具体来讲,“暖宝宝”中发⽣的是铁粉的吸氧腐蚀反应。

学习过电化学的同学应该都知道,如果钢铁在潮湿且有氧的条件下,表⾯会发⽣如下电化学反应:(1)负极:(2)正极:(3)总反应:⽔(在这⾥作为电解液)的存在引发的电化学反应,明显快于铁单质直接与氧⽓的反应,因此这种效应也被称为“原电池对于氧化反应的加速”。但是,⽔是如何出现的呢?暖宝宝⾥⾯并没有⽔呀。这其实是内含的疏松多孔的活性炭的功劳。

活性炭极⼤的内部孔道可以⾼效吸附空⽓中的⽔,当⽔结成液滴就可以与铁粉、氧⽓发⽣上述反应了。此外,暖宝宝⽆纺布内的有效成分还有⽤于保温的蛭⽯粉以及起到催化作⽤的盐,后者可以加速上述的放热反应过程。

Q4

为什么⽤照相机拍电脑屏幕时会看到波纹?这是⼀种⼲涉现象,被称作摩尔纹。我们知道,电脑屏幕的显示是由像素点构成的。

例如常说的1920*1080分辨率,就是说屏幕在⽔平⽅向有1920个像素点,⽽竖直⽅向有1080个像素点。因此我们在电脑屏幕上看到的图像可以看作是像素格点为单位进⾏的空间调制图像。⽽数码照相机的成像也是通过像素显示屏来呈现的,当感光元件的像素空间频率和拍摄到的电脑屏幕的像素空间频率相近时,图像间的叠加就会产⽣新的周期较⼤的图样,这就是摩尔纹。

摩尔纹由于摩尔纹的产⽣是数码相机感光元件的像素频率和拍摄到的电脑屏幕的像素频率相⼲涉的结果,如果想要拍到没有摩尔纹的照⽚,⼀般有两种⽅法。⼀是调整拍摄距离来感光元件的频率,使之与屏幕像素空间频率有⼀定差距。另外⼀种是使⽤胶卷相机,这样就不会有摩尔纹啦。

Q5

为什么乘坐⾼铁经过隧道时⽿朵会有压迫感?简单来说,是由于⻋体外的剧烈压⼒波动显著影响了⻋内⽓压,这导致⼈⽿内外有明显压⼒差因此产⽣压迫感。

这种现象在乘坐⻜机、⾼速电梯等时都会发⽣。下⾯主要解释这样⼏件事:为什么⻋外会有剧烈的压⼒波动?这种波动在隧道内会更显著么?为什么⻋外的压⼒波动会传到⻋内?⽆论是否在隧道内,⽕⻋由于⾏进速度很快,都会显著地压缩⻋头前⽅空⽓⽽在⻋尾后形成低压区,即产⽣活塞效应。在开阔空间内,周围的空⽓会尽快向⻋尾低压区补充,形成垂直于⻋辆运⾏⽅向的抽吸⽓流,这就是为什么站台周围需要设置安全区防⽌⾏⼈被卷⼊轨道。

对于在隧道内的⽕⻋⽽⾔,由于四周空⽓有限,因此主要的⽓流补充会发⽣在隧道的两端。发⽣活塞效应的同时,也会伴随两件事——⽓动阻⼒和滑流。⽓动阻⼒是⻋头处的空⽓压缩会对于⻋辆的⾏进产⽣明显的阻⼒,它随着⻋体的截⾯积以及⻋速的增加⽽增加。在隧道内由于空间封闭,⻋头处的压⼒更⾼,这会导致更⾼的⽓动阻⼒。⽽滑流则是针对⾼速⾏进的物体⽽⾔,其尾部的空⽓会以接近与物体共速的速度前进,形成明显的⽓流。

⾏进的汽⻋之所以能向前带起地上的落叶就是这个原理。此外,当另⼀个⻋辆在滑流影响的范围内⾏进时可以因此省⼒,这也就是⾃⾏⻋赛、赛⻋等⽐赛中常⻅的破⻛。在隧道中或者两⻋交汇等半封闭情况,上述的现象都会变得更强、更复杂,甚⾄形成湍流等复杂的空⽓流动形式。综上,在隧道内压⼒会出现kPa量级的波动。加之列⻋的⽓密性是有限的,因此外界的⽓体波动会⼀定程度上影响⻋内的⽓压,这就是我们⽿朵会产⽣不适的原因。

Q6

如果有⼀⾯接近光速的镜⼦在移动,把⼀束光打上去,转动镜⼦,反射的光斑能超过光速吗?能超光速,这其实和镜⼦的移动速度⽆关,倒是和镜⼦的转动速度以及光斑打在多远的地⽅有关。但因为光斑的移动并没有传递上⼀刻光斑的物质和信息,所以不违背相对论。与此类似地,有很多表⾯上超光速实际上并没有传输物质和信息的例⼦。⽐如你现在在六秒内原地转⼀圈,那么⽉亮绕着你转动的线速度很容易就会“超光速”。

但这只是从⽉亮发出的光⼦所成的像超过了光速,⽽这些光⼦⾃始⾄终都没有超光速。再⽐如,你往⽉亮上打个灯,然后在离光源1m的地⽅以超过1m/s的速度晃动物体,那么它投在⽉亮上的影⼦也能超光速。影⼦超光速,但是相对论管不着还有⼀个悖论是“超光速的剪⼑”,说是只要剪⼑的两个刃⾜够⻓,以⾄于我不⽤担⼼它的⻓度不够⽤时,那么它两刃剪切的重合点的速度会被放⼤,甚⾄超过光速。

当剪⼑张开的⻆度为时,这个重合点的速度会是⼑刃⻆速度乘以⼑宽再乘以倍。再直观点,只要我以1圈/s的⻆速度转动1cm宽的剪⼑,那么在时,这个重合点就会超光速。剪切点超光速,但是违反相对论吗?⾄于这违反相对论吗?相信聪明的读者们已经有了判断。

Q7

当⽓温低⾄⼀定程度时,尿会不会⼀出来就冻住?考虑到尿液⽐热容较⼤,在空中滞留时间较短,空⽓传热能⼒较低等因素,这⼏乎是不可能的。

在这⾥⽆法很严格地计算,但是可以给出⼀个很粗略的模型来估计所需温度的量级。⾸先,我们可以不考虑尿液液柱内部的传热细节,假定“冻住”的条件就是发⽣在液柱表⾯的传热可以在落地前的时间内将对应的⼀段液柱降低⾄其凝固点。尿液含有尿素、尿酸、钠盐等,根据稀溶液浓度升⾼凝固点降低的原理可知其凝固点应当略低于0°C,有的说法是(不妨取)。

⽽尿液初始温度是略⾼于体温(不妨取)的,因此粗略认为需要降低(已取绝对值,下同)。考虑某⼀段近似为圆柱体的液柱,参考输尿管的直径近似取半径为,其体积为假定尿液的密度为⽔的密度,其质量为再假定其⽐热容为⽔的⽐热容,忽略⽐热容随温度的变化。因此下降⼀定温度所需要的传热为假定尿液没有竖直初速度,液柱在竖直⽅向上的分运动为⾃由落体运动。

每⼀⼩段液柱在落地前所经历的时间为简化起⻅,取(略⾼于⼈的⼀半),重⼒加速度取。流体(这⾥为空⽓)流过液体表⾯时发⽣的传热⼀般认为是对流传热,其单位时间流过单位表⾯积的热量⼤⼩,即热流密度为其中为表⾯传热系数,对于空⽓和⽔的界⾯,由于空⽓的表⾯换热系数很低,取最⾼⼤概为(此处参考资料【4】,真实情况应该更低)。

上式中和分别代表尿液和环境的温度,由于尿液的温度是在不断降低的,因此正确求解其实需要⽤到微积分。这⾥为了简化,假定恒定为(即初末平均近似温度)时的数值。因此,对于上述液柱侧⾯,在落地前完成的传热量为于是临界环境温度应满⾜。即有代⼊上述的各个物理量近似值,可以得到这显然是⼀个⽆法达到的温度,因为宇宙中最低温也不过是⼤约。究其原因,⼀⽅⾯是尿液的⽐热容很⼤,另⼀⽅⾯是空⽓的传热效率较低。

假定我们可以增加空⽓的传热效率,令其可以媲美导热性能优良的固体界⾯,此时可以取⽔为流体时传热的极限值(参考图2表格),此时计算的结果为Q.E.D.可⻅,即使是空⽓拥有远超其传热极限的传热性能,也要南极、北极等地的极低温才可能实现。不过上述计算只考虑了传热⾯为圆柱侧⾯这样粗略的模型。实际尿尿的时候液体会呈现复杂的形状,最终张开的⽐表⾯积远⼤于圆柱,这时理论上的临界温度可能会有所升⾼。

Q8

容器⾥装有⼀定量的⽔,⽔⾯上漂浮有少量的蓝莓,当快速旋转容器时,为什么⽔⾯上蓝莓的相对位置⼏乎不变?因为惯性。想象⼀下,公交⻋突然启动或突然刹⻋时,如果你不抓稳扶好,是不是会后仰或前倾?⽜顿将其总结为:在不受外⼒的作⽤下,物体总保持原先的运动状态。这种性质就称作惯性,⼜称,⽜顿第⼀定律。不过继续深挖下去,会有个更有意思的问题:“原先的运动状态”是在哪个参考系下定义的?

在公交⻋外,我当然可以很容易地看出你相对于地⾯加速或减速了,那么在公交⻋内呢?如果以公交⻋为参考系的话,这反⽽⼜解释不通了。这就是⽜顿⼒学的局限之处,它没法外在地定义什么样的参考系是符合惯性定律的,或者说,什么才是“惯性系”。

当时的⽜顿已经意识到了这个问题,并提出了⽔桶实验,其中有四个要点:(1)⼀个⽔桶在平放在地⾯上,⽔⾯平静;(2)刚开始转动⽔桶,⽔⾯依然平静;(3)桶转动⼀段时间后⽔也被带动同步旋转,并在⽔桶这个旋转系中产⽣离⼼效果,⽔⾯下凹;(4)将桶突然停下,⽔依然继续旋转,且⽔⾯依然依然下凹。⽜顿的问题是,⽔⾯出现下凹的情景,⼀定是因为需要⼀个向⼼⼒来维持⽔的旋转,但⽔究竟在相对于什么旋转?

如果是相对于⽊桶,那为什么会出现(3)中两者相对静⽌,却依然⽔⾯下凹的情况?如果不是相对于⽊桶,那⼜是相对于什么?⽜顿没有办法解释,只能说存在⼀个绝对的空间,⽔在相对这个“绝对空间”转动。但爱因斯坦已经把绝对时空观推翻了,在⼴义相对论中,惯性系与否取决于该点的时空曲率,或者说该点受到的引⼒。咳咳扯远了,所以聪明的读者,你明⽩蓝莓为什么能相对静⽌地浮在⽔⾯上了吗?

如果没明⽩也没关系,这背后的时空观,可是争论⾄今都还没有个定论呢。

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