为什么没有方泡泡|No146

上一期我们聊的是为什么长时间不洗头搓不出泡泡，

这期我们又跟泡泡杠上了，

为什么稳定的泡泡都是接近球形的？

讲道理为什么不能是方的？

为什么不能吹个泡泡都是爱你的形状？

1

Q

用相同的力转动一个生鸡蛋和一个熟鸡蛋，为什么熟鸡蛋转动的时间更长？

by Y-ray

A

熟鸡蛋内外是一个不分离的整体，当其转动时，形状不变，性质不变可以看做一个刚体，给定一个初速度，其转动时只要找到合适的转轴就会稳定地转起来。

生鸡蛋的壳是固体，里面的蛋清和蛋黄都是液体，转动时，由于其整体不连接，内部的液体部分由于惯性作用会有逐渐加速的过程，这个过程会由于阻力的产生有能量耗散。且其旋转时，鸡蛋内部由于密度不均匀，蛋液会向蛋壳不规则流动，导致转动惯量依赖转速而变化，引入一个不稳定因素，因此，相比之下，熟鸡蛋转动地时间更长一些。

By Nuor

2

Q

为什么只有圆形的泡泡？

by 飞越彩虹

A

当你吹泡泡的时候，无论用什么泡泡圈，吹出来的泡泡都是近球形的，童鞋们会懊恼为什么：不能吹个泡泡都是爱你的形状呢？

从受力分析而言，当泡泡为不规则形状时，其相邻的两点曲率不一样，则表面张力方向不一样，根据受力分析，水会向合力的方向流动，最后平衡状态为相邻两点受力一致，曲率一致。推广到整体，就是一整个球体形状的形成。

形状不规则曲面向球面变换

此外，从能量角度上来解释。在泡泡形成的过程中，由于液体表面分子之间的受力不均衡，而内部分子受力平衡，表面形成时有相对更高的能量:表面能。根据能量最低原理，液体会趋向于形成体积一定时表面积最小的形状:球形。

By Nuor

3

Q

为啥自动铅笔朝上按笔，笔芯也能出来？

by noname

A

上图是最为常见的脉动式机芯结构的自动铅笔示意图。首先解释一下这种自动铅笔的工作原理。下面主要提到的四个元件分别是卡头（Dispenser）、锁紧箍（Dispenser Ring）、固定护芯管（就是笔尖那个小圆柱体）和阻尼圈（在笔尖附近的圆锥体里面的橡胶圈）。当手按动铅笔尾部按钮时，锁紧箍就被圆锥体顶住了，卡头的爪片逐渐张开并夹着笔芯向前推进，笔芯在阻尼圈的控制下沿着护芯管向前滑动一段距离。随着卡头的向前运动，卡头的爪片完全张开，不再和笔芯接触，但笔芯不会掉下去，因为阻尼圈和笔芯的摩擦力使其不下坠。放开尾部按钮，在弹簧弹力作用下，卡头的爪片逐渐合拢并退后，最终归位，在锁紧箍的作用下重新夹紧笔芯。这就是完整的一次出芯过程。

那么这个问题就好回答了，因为自动铅笔出铅，依靠的不是重力，而是依靠卡头向前推进时夹着笔芯向前。

By 重光

4

Q

为什么保温杯装进烧开的水，盖上盖子后摇晃一下，会有大量热气喷出来甚至顶开盖子？

by 程志翔

A

开水倒入保温杯后，虽然杯中的空气会变热但是还没有完全达到开水的温度。当你把盖子盖上摇晃之后，开水和杯中空气充分接触会把气体进一步加热，加热的空气体积膨胀。当你再一次打开杯子是就会有热气喷出甚至顶开盖子。

其实就算是不摇晃只要放置一会依然会出现喷出气体的现象。如果你放置时间特别长，长到水都冷了，气体体积也会收缩，这时打开盖子会吸入气体。

By Nothing

5

Q

平行放置的两个螺线管，给其中一个通电，另外一个因为磁通量变化而产生感应电流，但是磁通量变化是一瞬间的，也就是说E=ΔΦ/Δt中Δt→0，那么E= ∞，但是这不符合常理，这是怎么回事呢？

by 韩牧仁

A

乍一看这种情况确实不符合常理，但好像又无法反驳。事实上问题出再两个方面：

1、题主认为磁通量变化是一瞬间的，事实上磁通量的改变需要时间，这样了ΔΦ/Δt就变成了有限值而不是题主认为的无穷大。

2、题主的公式写错了，感生电动势的公式应该是E=-ΔnΦ/Δt（n是线圈匝数），一个负号之差，结果相差十万八千里。如果没有负号的存在，感生电动势形成的电流产生的磁场和另一个螺线管产生的磁场方向相同，新产生的磁场会促进总磁场的改变，从而形成很大的电动势。负号的存在使得新产生的磁场在抵抗总磁通量的变化，使得磁通量变化没有那么剧烈，相应的感生电动势也会变得不那么大。

By Nothing

6

Q

在电动机（就是物理课本上的那种）工作时，导线会发电吗？（因为会切割到磁感线）

by 鹏程的我

A

电动机工作时，线圈高速运转切割磁感线。我们知道导线切割磁感线会在导线中形成电动势，这个电动势并不会因为导线中原本存在电流而消失。通过分析(楞次定律)我们可以发现切割磁感线产生的电动势有让导线中电流减小的趋势。正是由附加的电动势的存在使得欧姆定律在电动机中失效。这就是电动机工作时导线中发生的物理过程，具体你是否把它称为在发电，全看读者自己对发电的定义了。

By Nothing

7

Q

有一辆火车即将通过一个山谷，山谷长度与火车刚好相等，慢速条件下火车刚好可以通过山谷，如果火车速度接近光速，长度变短，能不能通过山谷呢？地面上的人看起来会是怎样一种状态呢？

by Islands in the Sea

A

根据题目的描述，题主的问题改为”火车是否可以完全处于山洞中“更加合适。

这个问题涉及到狭义相对论中著名的“尺缩效应”。在山谷眼中，由于尺缩效应，火车变短，火车应该可以完全处于山洞中。但是在火车上的人看来时山洞变短了，火车不可能完全处于山洞中。两者说的好像都有道理，到底是谁出错了呢？其实谁都没错。

想要讨论这个问题，我们先要明确一个概念：什么叫火车完全处于山洞中，它指的是火车头和火车尾同时处于山洞中。在山洞看来，火车头和尾确实可以同时处于山洞中，我们可以将火车头处于山洞中和火车尾处于山洞中看做两个事件，由狭义相对论的知识可以知道，静止参考系中不同位置同时发生的两个事件在运动参考系中并不是同时发生的，这叫同时的相对性。所以，在车上的人眼中，虽然他们也观察到了火车头和火车尾在山洞中两个时间，但是这两个事件并不是同时发生的，虽然火车头和尾都可以分别处于山洞中，但是火车头在山洞中时火车尾在山洞外。所以在他们看来，火车并不能完全处于山洞中。

看似矛盾的两个结论其实只是同样一件事在不同参考系中的不同表现而已。

By Nothing

8

Q

宏观状态下的物质是否都有保持其原有状态不变的性质？微观粒子是否都有不断改变其原有状态的性质？

by 量子玫瑰

A

在理想情况下，宏观物体和微观粒子都有保持原有状态不变的性质。在开始讨论之前，我们先来解释下怎样描述一个体系的状态：对于宏观物体（为了简单起见，我们只讨论单个质点），我们认为只要我们知道了质点的位置和速度那么我们就确定了质点的状态；对于微观物体，我们只要知道了它的波函数我们就确定了它的状态。宏观物体的行为由牛顿力学支配，牛顿第一定律告诉我们只要质点不受力，它就一直匀速运动下去。微观粒子的行为由量子力学支配，薛定谔方程告诉我们，只要波函数是哈密顿量（不含时）的本征函数，那么波函数就不随时间变化。从这个意义上讲，无论是宏观物体还是微观粒子都具有保持原有状态不变的性质。

但是在实际情况中，由于各种扰动的存在，我们不可能观测到完全处于匀速直线运动的物体和完全不随时间改变的波函数，从这个意义上讲宏观物体和微观粒子都会不断改变自身的状态。

By Nothing

9

Q

说出书什么时候能出

by

A

首先我们看一下瓶盖的结构，如图所示的一个塑料瓶盖，主要由螺纹、密封圈、侧封环组成（有些瓶盖在密封圈和侧封环之间还会加一个顶封环）。

后台不少小伙伴在问，书什么时间出，实际上已经出了，答主的不少小伙伴已经拿到实体书了：

来自答主： 物理所 哈士奇不是狗

来自答主：清华大学 原子

来自答主：物理所 Nuor

来自：物理所 武当山上张真人

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By Nothing

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本期答题团队：

物理所 重光、Nothing、Nuor

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为什么长时间不洗头，洗的时候搓不出很多泡沫？| No.145

编辑：望江楼

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