物理君大冒险
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家里的物理

(布里渊小区)

物理君抬头一看,果然不远处就有几栋居民楼,门牌上还写着“布里渊小区”。

“布里渊小区?”物理君心想,“这小区的名字倒是还挺物理的,不过没时间多想了,现在找到穿越回去的办法才是正经事。”物理君三步并作两步冲进布里渊小区。“哎,等等我!”薛小猫也赶忙追了上去。

刚进小区,物理君就看到一个小朋友在玩耍,于是过去拍了一下小朋友的肩膀,问道:“小朋友,你知道怎么去悟理学院吗?”小朋友疑惑地摇了摇头,反问道:“大哥哥,你的手明明是湿的,为什么拍在我身上却是热乎乎的呢?”

物理君愣了一下,原来刚才跑得太急,手上出了好多汗。还没回过神来,薛小猫的声音就打断了他的思绪:“这个世界有个不成文的规定,在每个地点要回答够一定数量的问题才能打通去往下个地点的道路,我知道你很着急,但要想回去,还是得有耐心呀!”

物理君这才冷静下来,仔细一想:我穿越过来的时候是深夜,现在却是白天,说不定这个世界的时间和现实世界并不相通,那我不如索性暂时脱离科研生活,在这个世界里好好探索一下。

“这个问题我会……”还没等物理君说完,小朋友就抢着回应:“太好了,终于碰到了一个可以帮我解答问题的人。我有个笔记本,上面记载了好多我和同学们想知道的问题,大哥哥可以帮我们解答吗?”

看到小朋友对物理这么感兴趣,物理君也放松下来:“好呀,让我来看看都是些什么问题吧!”

01.为什么湿手捂在衣服上会觉得热乎乎的?

有时候我们洗完手,用毛巾擦手或把湿手捂在衣服上的时候会有热乎乎的感觉。

由于衣物或毛巾的温度一般高于洗手时的水温,所以当我们用它们擦手时就会有热乎乎的感觉。手湿着的时候,水分蒸发会带走热量,因此相比手上不沾水的时候会感觉凉一点。而当湿手捂在衣服上时,局部空气流通速率下降,导致蒸发速率下降,水蒸气不会马上被带走,从手上失去的热量相对于不捂毛巾或衣物时少,感觉就是热乎乎的了。

02.为什么有的干毛巾不吸水,但只要湿润一点之后就很吸水了?

我们先来明确为什么一般用湿毛巾吸水。湿毛巾里分布着很多纤维,而纤维网络形成的孔隙就相当于许许多多的毛细管。对于纤维来说,水是一种浸润液体,也就是说水分子之间表现为斥力,水和纤维的接触面(又叫附着层)具有扩散的趋势,加上纤维非常细,水就会在毛细管中不断升高,因此当湿毛巾中的毛细管大部分未被填满时,湿毛巾就很容易吸水。

那为何同样拥有大量毛细管的干毛巾,对水却没有这么大的吸力呢?这是由于水的另外一个性质:表面张力。其实水的表面张力在生活中随处可见,比如蜉蝣仿佛浮在一层水膜上,再比如加了肥皂的水更容易吹出泡泡,这些现象和液体的表面张力有关。对于干毛巾和即将接触的水来说,在表面张力的作用下两者间容易形成界面,从而阻止水的渗入。湿毛巾本来就有水的存在,这些水的存在抑制了界面的形成,因此比干毛巾更容易吸水。

03.彻底拧干毛巾需要多大的力?

很遗憾,毛巾是无法被彻底“拧”干的。毛巾主要由脱脂纯棉制成,主要成分是纤维素,而纤维素中有大量亲水性的羟基,水分子会在氢键的作用下与纤维素结合形成结合水,同时由于水的表面张力,毛巾中的缝隙也因毛细现象而可以大量储存水分,这是毛巾吸水的主要原因。将毛巾缝隙中的水分拧出来时,仍然会有部分水分以结合水的形式储存于毛巾中,可以通过晒太阳去除这一部分水。

如果一定要通过手拧的方式尽可能地达到理想的效果,就需要参考1200转/分的洗衣机脱水功能。假设滚筒半径0.2m,毛巾平均质量为500g,我们通过“甩”的方式需要维持约1579N的力,利用此力大约可以举起161kg的物体(接近69kg级抓举举重的世界纪录水平……)。而且,这是“甩”不是“拧”,“甩”的时候水分子受到的附着力不足以提供圆心运动的向心力而脱离毛巾,“拧”并不会直接作用到水分上,此时水仍可以通过黏滞力吸附在毛巾上,也就是说,即便我们使出了举重世界纪录水平的力气去拧一块毛巾,也不可能把它拧到像洗衣机脱水过的那样干。

04.为什么牙膏不管怎么捏,挤出来的条纹形状总不变呢?

如果将牙膏切片,其解剖图是这个样子的:

牙膏的主要成分是摩擦剂,根据添加剂的不同分为不同的彩色块。牙膏是一种很典型的宾汉流体,是非牛顿流体的一种,通常是一种黏塑性材料,在低应力情况下,表现出一定刚性,高应力下,会像黏性流体一样流动。通俗来说,牙膏在不受挤压的情况下,表现得像个铮铮硬汉(固体),受到高强度挤压,就会柔弱似水(流体一样流动)。当牙膏像流体一样流动时,其遵循流体力学中的定律,流动状态受雷诺数支配:黏性越大,雷诺数越小,其流动状态为层流状,液体之间相互平行流动。黏性越小,雷诺数越大,流动会发生湍流,即相互混合。调节牙膏不同色条材料之间的雷诺数,可以使之仅发生层流现象而不相互混合。当然,当牙膏混入水之后,其黏性降低,色条之间就会相互混合了。

05.为什么牙膏滴到潮湿的地板上,地板上靠近牙膏的水会扩散开?

我们需要先了解一下接触角的概念。问题所描述的情形可以用下图简单表示,在这样一个气、液、固三相交界的体系中,有三种界面张力在相互作用,σ表示不同界面间的表面张力系数。

不难理解,σ气,固倾向于使液滴铺展开,σ液,固倾向于使液滴收缩,在图示润湿(θ<90°)的情况下,σ气,液倾向于使液滴收缩。接触角被定义为σ液,固和σ气,液之间的夹角。简单的力学分析可得:

我们日常用的牙膏一般都含有表面活性剂。表面活性剂进入水中会迅速聚集于界面,亲水基指向水相,疏水基指向气相,使表面张力急剧下降并趋于恒定。

回到问题本身,在牙膏沫周围的水中,由于表面活性剂的加入,其表面张力减小,根据前面关于接触角的分析,其收缩作用减弱,更倾向于在固体表面铺展开来,即接触角θ减小,所以看上去比远离牙膏沫的水面要更低凹。

06.为什么刷完牙之后牙膏的小泡沫在水面上向四周散开?

这是因为牙膏里有一种用来起泡的表面活性剂,一般来讲是十二醇硫酸钠、月桂酰肌氨酸钠等。表面活性剂能使溶液体系的界面状态发生明显变化,表现为液体的表面张力降低。

在水面上加入表面活性剂,局部的水表面张力就会降低,同时这些水还会受到旁边干净水的表面张力的拉拽,形成了局部水的流动。至于为什么表面活性剂会使表面张力降低,我们就要看一看它的分子结构:表面活性剂分子一般有一个亲水头部(亲水基)和一个疏水尾部(亲油基)。

顾名思义,亲水头部喜欢和水结合在一起,而疏水尾部不喜欢,表面活性剂分散在水面上就像后图这样:

亲水头部和水结合,而疏水尾部被排斥向另外一方,暴露在空气中,这就阻碍了表面的水分子之间手拉手,导致了表面张力的下降,使得牙膏小泡沫周围的水向四面散开,这样就能理解表面浮着的小泡沫向水面四周跑的原因啦。

07.用沐浴露洗完澡身上会滑滑的,用香皂就不会,真的是沐浴露洗不干净吗?

其实用有的沐浴露洗完澡身上也不会觉得滑滑的,这主要和不同的沐浴露所含的成分有关。香皂的主要成分是脂肪酸钠(比如硬脂酸钠),在水里溶解之后产生脂肪酸根,这是一种阴离子表面活性剂,含有烷基的那头亲油,带负电的那头亲水,这种两亲的特点使得它能够将皮肤表面上的油脂“拽脱”皮肤表面,随水流冲走。脂肪酸根有个缺点:容易和水中的钙、镁离子结合形成皂垢。残留在皮肤表面的皂垢就是用香皂洗完澡后皮肤干涩的原因。

而有些沐浴露含有的表面活性剂是两性型的,比如甜菜碱类(椰油酰胺丙基甜菜碱等),或者是阳离子型的,比如季铵盐类(十六烷基三甲基季铵溴化物等),这些表面活性剂不会和水中的钙、镁离子结合,因此也就不会形成皂垢。但是这些表面活性剂容易附着在皮肤表面,不容易冲走,所以就有一种滑溜、洗不干净的感觉。

也有沐浴露是含有皂基(也就是含有阴离子表面活性剂)的,比如成分表中含有脂肪酸(或者棕榈酸、月桂酸)和氢氧化钠(或者氢氧化钾),那就说明其中含有皂基,洗完也可以达到香皂的“干涩”(或“干爽”)效果。

08.为什么肥皂等套上网状袋子后更容易打出泡沫?

回答这个问题首先需要知道泡沫是什么。泡沫在科学上的定义是气体分散在液体或固体中的一种分散体系。而题目中所说的泡沫则是空气分散在水中的一种分散体系,其中肥皂作为表面活性剂,可以让泡沫稳定存在一段时间。泡沫要产生,需要有空气和肥皂水的共同参与,因为网格袋子有很多小网格,上面存留了许多肥皂水,并且小网格之间有着大量的空气,这样使得肥皂水可以和空气三维立体接触,有利于产生大量泡沫。而直接在身上涂抹肥皂,肥皂水和空气相当于是二维接触,空气难以进入肥皂水中混合形成气-液分散体系,也就难产生泡沫了。

09.可以直接挤出浓密泡泡的洗手液瓶子是什么原理?

首先,让我们回想一下小时候吹泡泡需要的几个条件:一要有泡泡水,二要有能蘸取泡泡水的环形工具,三要有鼓风(比如用嘴吹)。对着蘸有泡泡水的环形工具吹气,就能吹出泡泡了。而能挤出浓密泡泡的瓶子(起泡瓶)刚好满足这三个吹泡泡的条件。首先,起泡瓶中的液体是含有表面活性剂且比较稀的液体,而不是像沐浴露那样的黏稠乳液。我们知道,直接对沐浴露吹可是吹不出泡泡的,得将其稀释了才行。其次,不同于一般的乳液泵头和喷雾泵头,起泡瓶的泵头是泡沫泵头。泡沫泵头有两个重要的部件,分别是筛网和气室。筛网相当于吹泡泡时蘸取泡泡水的环形工具,气室相当于吹泡泡时的鼓风装置。在按压泵头之后松开的过程中,泵头上部形成低压区,将瓶内液体抽到泵头上部,同时将空气吸入气室中。按压时,气室压强增加,将空气和液体同时挤向筛网处(相当于向蘸有泡泡水的环形工具吹气),这样就能吹出泡泡了。筛网网眼越小,泡沫就越细腻。

10.为什么在水里打不出响指?

不知道题目问的是把手泡在水里打不出响指,还是刚洗完澡手湿的时候打不出响指……不过不管怎样,核心原因就是打响指其实是个“高精尖”的活儿,差一点都不行。很多人以为打响指的声音来自手指拍打手掌上的大鱼际肌肉,但其实更多的是来自无名指和小指与手掌构成的空腔共鸣。不信的话,小伙伴们可以把手指张开再打响指看看,是不是声音变得又小又闷了?假如把整个手泡在水里,空腔里面介质都变了,肯定就不可能产生之前一样清脆的响指声了。

另外,打响指对于中指的速度其实也有很高的要求。开始打响指时,中指和大拇指的摩擦力很大,但当中指运动到大拇指的第一个指节转折处的时候,因为角度变化,摩擦力迅速变小,从而中指快速加速,拍打大鱼际肌肉。整个过程发生的时间不过数毫秒,在那个瞬间,中指宛如博尔特附体。但如果手是湿的或者手泡在水里,摩擦力的变化没有那么大,中指的运动速度不够,就断然打不出清脆的响指了。

11.厕所里感应冲水的原理是什么?为什么有时候穿黑色衣服感应会迟钝呢?

厕所里的感应冲水与水龙头感应放水都是利用红外反射。在厕所中我们会发现闪着微微红光的小铁盒,这就是红外线发射器。不过这里的红光只是起到类似指示的作用,而红外线波长介于可见光与微波之间(760nm~1mm),因此人眼是无法直接观察到红外线的。其实温度高于绝对零度的物体都会发出红外线,为避免干扰,发射器所发出的红外线是经过“调制”的,即带有特定振荡频率的脉冲信号。当有物体出现在感应器的有效感应区域时,红外线便会被反射,一部分调制过的红外线被反射回传感器内,被信号接收器接收后转换成电信号并解调,而后电信号经过三极管放大后发送给脉冲电磁阀,电磁阀按照指令打开水龙头放水。

感应冲水的完整过程关键在于红外线在感应区域的有效反射,根据物质的颜色原理,物质所表现出的颜色是物质吸收了相当一部分可见光之后被人眼所观察到的可见光,所以黑色的物质对可见光与可见光频率附近的电磁波有良好的吸收作用。因此,当我们穿黑色衣服时,传感器所发射的红外线更可能被吸收而非反射,所以传感器会感应迟钝或者没有反应。

12.为什么被子晒过后会变得蓬松,感觉更重?

晒被子是大家的一个日常行为,尤其是在阴雨、潮湿的天气过后,把被子拿出去晒一晒,不仅可以杀菌除螨,还能恢复保暖的性能,但是晒完被子之后,我们常会发现被子变得厚了、蓬松了,就像新买回来的一样。这是因为经过晾晒后被子中的棉花纤维之间存储了大量的温热空气,盖起来才蓬松柔软。通过晾晒,被子中空气含量增加,被褥中的棉花纤维舒展蓬松,能增加其弹性和保暖能力。被子接受紫外线的照射,可以除掉棉絮中的水分和病菌,减少感冒等流行性疾病的发生。这样既增加了被褥的使用寿命,又有利于人体健康。但是要注意,许多人喜欢晒完被子拍一拍,觉得既可以去掉灰尘又可使被子蓬松柔软,专家表示,这种方法并不科学。如果用力拍打棉絮,就会把温热的空气拍出棉絮,使蓬松度下降。或许是因为晒过的被子突然变得厚了,给你造成了错误的判断,使你感觉被子变重了,但其实被子还是那个被子,并没有变重。

13.超市里的斜面电梯是如何卡住购物车的?

细心的小伙伴一定会发现,手扶梯的梯面上布满了一道道凹槽,而在将购物车推到电梯上时会观察到购物车的轮子陷在凹槽中,感觉被卡住了。事实上也的确如此。如下图所示,车轮由橡胶制的外圈、内圈以及刹车块构成。外圈的轮胎宽度与电梯表面的凹槽宽度接近,当购物车推上电梯时,车轮外圈发生形变而嵌入电梯表面的凹槽,轮胎侧面和凹槽侧面间的摩擦力使得车轮无法向前运动。刹车块的作用是在车轮外圈磨损严重导致摩擦力减小或者无法侧面形成摩擦力时,避免轮胎整个陷入凹槽仍然可以行驶的情况:在车轮外圈接触凹槽底部时,刹车块先一步与梯面接触,提供摩擦力,使得购物车无法移动。

在购物车被带动至电梯尽头时,由于自动扶梯表面和电梯出口处的挡板一般会形成一定夹角,同时也具有凹槽状条纹,可以使嵌入电梯凹槽的车轮逐渐抬升,脱离凹槽,恢复正常行驶。

14.为什么湿了的纸会更容易被撕烂?

要解答这个问题,我们先要知道造纸的大致过程。纸张主要是由纤维(基本是植物纤维,其主要成分为纤维素)和其他固体颗粒物结合而成的多孔性网状材料。纤维素分子由于具有亲水性,能和水分子形成氢键,经过脱水处理(干燥)这一步,最终纤维素分子的羟基(-OH)之间的距离小到足以产生氢键,这就是造纸的过程。也就是说,纸张的强度来源于纤维素分子之间的氢键结合力。我们把纸弄湿,相当于破坏了纤维素分子羟基之间的氢键,增加了分子间距离,纸的强度自然就变低了!

15.请问纸泡在水里晾干后为什么会变皱呢?在其他溶液中呢?

纸的主要成分是植物纤维,而纤维素分子上有大量的羟基,干燥的纸的强度主要来自羟基之间形成的复杂的氢键网络。纸之所以能够吸水也是由于羟基是一种亲水基团,纤维细胞吸收水后体积膨大的过程被称为纤维的润胀,在这个过程中羟基和水分子之间形成氢键,产生水桥,同时水分子进入纤维细胞内部,促使纤维比容(单位质量的物质所占有的容积)增大。润胀会造成两个结果:一是减弱了纤维的内聚力;二是使纤维细胞壁内各层微纤维之间产生了层间滑动,使硬挺的纤维变得柔软可塑。

如果不外加干预即让纸自然风干,纤维素分子之间由于层间滑动导致疏密不一,原有的紧密的氢键网络是无法自然恢复的,因此被水泡过的纸干了之后会变皱。其他溶液也可以产生这样的效果,这主要和溶液分子的极性有关。网上流传的将变皱的纸沾湿之后用字典压住,等其变干之后会变平整的说法是正确的,这类似于造纸过程中的打浆,即通过外加应力使纤维素分子之间更好地形成氢键连接。

16.为什么洒过饮料的地板会有黏糊糊的感觉?

这是因为大部分饮料里都含有很多糖类,这些糖类物质会增加水的黏度。饮料洒在地板上,开始水分子还比较多,糖类的浓度较小,因而不显得黏糊糊;但随着水的蒸发,糖的浓度逐渐上升,就变得黏糊糊了。

至于为什么糖溶解于水中会增加水的黏度,简单来说是因为“氢键”。液体的黏性来自液体分子之间的相互作用力,分子之间的相互作用越强,连接越紧密,液体就会越黏。由于氢键的存在,糖分子与大量其他水分子和糖分子连接在一起,从而使液体变得很黏。

不过一些人可能会问:水里也有很多氢键,为什么纯净水黏度较低?这是因为糖类分子通常较大。以饮料里常用的蔗糖为例,1个蔗糖分子含有12个碳原子、22个氢原子、11个氧原子,这些氢原子和氧原子都可能通过形成氢键的方式与水分子或其他蔗糖分子连接在一起,甚至两个分子之间会形成多个氢键,这种复杂的结构远比水分子(含有两个氢原子、一个氧原子)之间由氢键形成的基团要紧密。因此,虽然纯净水中也有很多氢键,但相对来说并没有糖水黏。

读者们可以尝试购买市面上的无糖饮料,这些饮料中使用了代糖来取代蔗糖、果糖等,因此相对来说整体的含糖量应该偏低一些,可以比较一下含糖饮料和无糖饮料洒在地板上哪个更黏。

17.保温杯保温效果的好坏与什么因素有关?

保温杯是从保温瓶发展而来的,其保温原理与保温瓶基本一致。1892年,化学家詹姆士·杜瓦制成双重玻璃容器,并将内侧玻璃壁涂上银,然后又抽掉了双重玻璃间的空气,还申请了专利,因此热水瓶也被称为杜瓦瓶。

保温杯,简单说就是能够保温的杯子,一般是由陶瓷或不锈钢加上真空保温层做成的盛水容器,顶部有盖,密封严实,真空保温层能使装在内部的水等液体延缓散热,实现保温。

热量主要以热对流、热传导、热辐射这三种方式进行传递,真空保温层中没有传递介质,因此有效抑制了热对流和热传导,同时真空层内层通过镀反热层的方法将热量反射回保温杯内部,实现保温。

上图给出了常见的两种保温杯结构,无尾真空焊接技术的实现使得真空夹层漏气的概率减小,实现了更高效率的保温。同时真空保温杯一般配有树脂杯头,以达到良好的密封效果。

通过对保温原理的分析我们可以发现,保温杯主要利用真空以及镀层对热量的反射实现保温,不考虑瓶口的密封效果,影响保温效果的关键因素即为真空层的真空度和镀层的热量反射能力,这些因素主要由保温杯制造过程中的材料工艺决定。

18.为什么用湿手摸玻璃杯杯口会发出声音?

首先,声音是由物体振动产生的声波,是通过介质(空气或固体、液体)传播并能被人或动物的听觉器官所感知的波动现象。用湿手摸玻璃杯能够发出声音,一定是某种物质发生振动,然后通过介质传导,被我们感知到了。

仔细分析发现,不是只有在湿手摸玻璃杯时才会发出声音,其实大部分时候,我们用手去摸或者去摩擦某个物体的表面时一般都能听到声音,比如纸张、桌面或者衣服等。那为什么湿手摸玻璃杯的声音会让人特别注意到呢?是因为这种声音非常特别,在玻璃杯中加入不同体积的水甚至可以作为乐器来演奏。除此之外,还有的人能够根据听到的声音直接分辨出正在摩擦的物质是什么,比如衣服的材质是尼龙还是纤维,或者判断出你是在使劲摩擦还是轻轻抚摸。

下面我们来简单分析其中原理,当我们摸或者摩擦一个物体表面时,物体表面或者手与物体接触界面的分子发生振动。从模型上讲,这是一个阻尼振动模型,如下页图所示,具体对应哪种阻尼则与实际情景有关。

阻尼振动中对应的振动频率与物质的固有频率和阻尼系数有关,振动幅度随时间指数衰减。介质将振动的相关信息(包括振幅和频率)以声音的形式传导给我们,使得我们能够根据音色(与频率相关)和响度(与振幅相关)来判断物质的种类或者感知到不同强弱的声音。

19.为什么空杯子或者花瓶放到耳边会有声音?

一句话概括,周围的白噪声在共振腔中集中放大了某些频率的声音。空杯子和耳朵之间形成了共振腔,外部的噪声通过共振腔在空气作用下集中放大了某些频率的声音(频率和共振腔的几何外形相关),相当于外部的噪声是这些声音的演奏者。因此,如果我们将外部白噪声和共振腔完全隔绝,阻止空气振动的传播,那么我们就听不到上述的声音了。尝试下站在嘈杂的大街和待在下雪天的家中,将空杯子凑在耳朵边,你就会发现后者听到的声音明显小了。这种现象的原理其实和管弦乐器的发声原理是一致的。

20.用耳朵听保温瓶的声音来判断保温效果有科学根据吗?

将保温瓶开口对着耳朵听声音在一定程度上确实可以用来判断保温效果。保温瓶简单来说就是镀有反热层的内胆、真空层和外壳的三层结构,热量主要以热对流、热传导、热辐射这三种方式进行传递,而其中的真空保温层抑制了热对流和热传导,同时镀层可将热量反射回保温瓶内部,实现保温。因此,真空层和镀层的质量好坏一定程度上反映了保温瓶保温效果的好坏。当我们把保温瓶拿到耳边听的时候,一部分外界的声波会进入保温瓶内部,并在瓶胆内被反射,且无法透过高真空的玻璃夹层,因而可以听到“嗡嗡”声。所以,好的保温瓶声波一旦进去很难再出来,用耳朵在瓶口能听到不间断的“嗡嗡”回响声。如果没有回响声,证明保温瓶内胆已经破裂,不再保温了。镀层的光亮度越高,夹层里的真空度越高,听到的“嗡嗡”声就越大,则瓶胆的质量就越好。反之,听到的“嗡嗡”声越小,则瓶胆的质量越差。

21.为什么倒水的时候有时水会沿着杯壁向下流?

这种现象称为茶壶效应。每当我们非常缓慢地将茶从茶壶里倒出来时,茶水总是容易顺着壶嘴、贴着壶壁,向下流到桌子上。这是一个很有趣的现象。有不少物理学家都研究过它,2010年《物理评论快报》(PRL)的一篇文章就对材料的润湿性与茶壶效应的关系进行了深入的研究。这篇文章指出了茶壶效应的三个影响因素,分别是流速、材料的润湿性和边缘的曲率。

生活中的经验告诉我们,流速对茶壶效应有比较大的影响,当水流速度逐渐减小的时候,水就会贴着壶壁流下。

而材料的润湿性(也就是亲水性和疏水性)则是这篇文章的关键点,如下页图所示,如果壶嘴是亲水材料[(a)和(a')],那么流速降低的时候,水就会顺着壶嘴、贴着壶壁向下流。如果壶嘴是疏水材料[(b)和(b'),在壶嘴上熏了一层炭黑用于疏水],可以发现就算流速很低,水也不会贴着壶壁下流,而是像断了线的珠子一样。

最后一个影响因素是壶嘴的曲率。结合生活经验就很好理解:壶嘴边缘越是圆润,就越容易出现贴着壶壁下流的现象;而茶壶边缘越是尖锐就越不容易出现茶壶效应。

22.为什么干燥时更易产生静电?

首先,当电荷聚集在某个物体上或表面时就形成了静电,也就是物体由于正负电荷不平衡而带电的现象,比如我们中学学过的摩擦起电等都会产生静电(当然,摩擦并不是产生静电的唯一条件)。其次,这种电荷聚集不会自动消除,需要一定的放电途径来转移电荷,从而平衡正负电。当我们触碰其他物体时,就形成了一个放电通道,电荷通过这个通道转移时的放电电压较高,但是能量很小。我们可以把这种放电称为火花放电。也就是说,静电有两个关键要素,一个是电荷聚集,一个是放电。

那么,空气的干燥程度是如何影响上述两个关键要素的呢?第一,空气的干燥程度会影响体表和空气的导电能力,干燥的空气水蒸气含量低,导电能力差,使得体表的电荷不容易被导走而发生电荷聚集;第二,空气的干燥程度会影响电荷的不平衡分布,当空气湿度较高时,空气中的水蒸气附着在人体和其他物体表面,能一定程度上减弱由于摩擦或其他方式导致的电荷聚集,从而减少静电现象。

23.中学时老师讲“固体传声效果比气体好”,为何在实际生活中,坐在房间内,听外面声音很吵,关上窗户声音会小很多?这难道不是违背了“固体传声效果比气体好”这句话吗?

这两者是不矛盾的。声音是由物体振动产生的,声源的振动先在其附近介质产生扰动,后者又推动它邻近的介质,这个过程不断重复,最终形成声波,因此介质越是致密,声音传播得越快。如果你想让声音传播到很远的地方,固体是很好的传播介质。而生活中关上窗户可以让声音变小,则是考虑了声音在传播过程中遇到不同介质的界面会发生能量的耗散,部分声波会在界面反射带走能量,只有一部分声波可以穿过不同介质的界面继续传播。换言之,介质的变化会导致声波所携带的能量减少。这也可以解释为什么声音在从气体传到传声效果更好的固体后,音量反而变小了。

24.用指甲刀剪指甲的时候指甲为什么会乱飞?如何避免?

我们的指甲一般都是有一定弧度的,但是仔细看一下指甲刀,虽然刀头的形状是弯的,方便我们修剪指甲的形状,但两个刀头的前端还是处于一个平面的。所以在剪指甲时,有一定弯曲度的指甲会被压平,当指甲被完全剪断的一瞬间,它恢复原来的形状就会弹起来,然后撞到指甲刀的连接轴或其他位置就会到处乱飞。如果不想被乱飞的指甲“封印”在垃圾桶旁,可以在洗完澡指甲比较软的时候一点点剪,这样指甲就不太会被弹飞;也可以在指甲刀刀头的两侧贴上透明胶或用其他东西挡住,指甲没了出路,只能乖乖地在指甲刀里待着。等指甲剪完了再撕掉透明胶或用来挡指甲的东西,就能一次把指甲全都扔在一起,不用跑来跑去收集乱飞的指甲了。