为什么满满一盆水倒进去，马桶里的水不会越来越多反而变更少？| No.385
谁懂啊！
停电时候被一大盆水浇灌的马桶
总是那么令人放心
Q1
为什么把满满一盆水倒进马桶里，马桶里的水不会越来越多，反而变得越来越少？
by 匿名
答：这与马桶的内部结构有关，我们以地面为零势能面，忽略阻力等影响因素来简单谈一谈这个过程。最开始的时候（见图a）由于马桶内部水上方的压强和虹吸管道里水面上方的压强都等于大气压，此时由于水流处于静止状态，且,，根据理想流体的伯努利方程：
可知，在初始状态下A处和B处的水面高度相同。当我们往马桶里迅速倒入一盆水后（见图b），A处水的高度大于B处，此时A处的水不会再继续处于静止状态，它会因为重力势能存在一个速度。根据连续性方程：
B处的水也会开始流动，于是B处的水面会越来越高直到越过虹吸管中的最高点C，随后充满整个虹吸管道，直到A处液面高度略小于C（见图c），这时虹吸现象出现会导致A处液面继续下降。我们假设D口处压强为，且水的流速处处相等，在C处管道做一个横截面，其左右两边的压强分别为和，根据伯努利方程可知
由于，有：
此时水流会受到一个向左的压力从A经过C流出D口，产生虹吸现象，直到A处的水位达到一个合适的位置时，空气会渐渐进入虹吸管内，虹吸现象消失，马桶回到初始状态，完成了整个冲水过程。
by Sid
Q.E.D.
Q2
发现磁铁可以透过几乎生活中的所有物品吸住另外一个磁铁，有什么物质可以屏蔽磁场吗？
by 匿名
答：在我们的生活中能感受到，电场的屏蔽相对容易，根据高斯定理，电场不能穿透导体，因此生活中不过分大的电场都能够被屏蔽，这来源于导体拥有能够自由移动的电荷，其在电场下的定向移动抵消了外电场。
尽管磁场经常被认为是与电场“对偶”的，但是目前为止我们并没有发现能够单独存在的“磁荷”，与电荷不同，磁极总是成对出现，标定磁场的磁力线必须从一个磁极出发链接另一个荷相反的磁极，因此我们在理论上没有办法实现和屏蔽电场一样效果的屏蔽磁场。
从应用出发，我们经常要求“消除”某一个区域的磁场，这需要重新安排磁场的分布。一般的方法是使用一些有巨大磁导率的材料，包裹住所需消除磁场的区域。粗略地讲，此时磁场会沿着磁导率高的外壳，绕开中心被保护的区域。另一种更精细的方法是"中和"磁场，设法在某一个区域产生与外磁场等大小的相反的另一个磁场，二者叠加为零。从而在选定的空间内消除外来的磁场。
此外，我们知道超导体是具有完全抗磁性的，因此，我们也可以利用超导球壳之类的装置来制造磁屏蔽。但是由于目前的超导体都需要在零下200多度的低温才能实现超导，因此，超导磁屏蔽目前还很难应用到我们的生活中。
by 单身男青年
Q.E.D.
Q3
你好！请问高速行驶的火车窗户旁的纸，会飞回来还是飞出去呢？
by 逯佩庚
答：根据伯努利定理，流体流速大的地方压强小，那么火车外的气体高速流动，压强小于远离车体的位置，因此纸片会飞回车附近。
需要注意的是，伯努利方程本身使能量守恒定律在流体中的应用，是有伽利略不变性的，但是在演算中需要满足定常流动的条件，如果以地面为参考系，车在运动，其位置时刻都是变化的，整个流动是非定常的，所以不能简单变换去地面参考系讨论这个问题。实际生活中这个问题更加复杂，空气的流动可能产生大量涡旋，在这种情况下，伯努利方程失效，可能实际情况不同。不过以笔者的生活经验，在多数的情况下，纸片还是会飞向车的方向的。
by 单身男青年
Q.E.D.
Q4
绝对零度是怎么被计算出来的？为什么没有比它更低的温度了？
by 匿名
答：目前1K被定义为绝对0度和纯水三相点温差的1/273.16。水的三相点的温度正好是0.01℃，所以0K就是-273.15℃。根据理想气体表现出如下关系：PV=nR(T'-b),其中b是p-T'图像延长线和横轴的交点，后来开尔文定义了绝对温度T=T'-b，定义新的温标T=0就是绝对零度。
因为气体的压强来自分子的热运动，所以压强等于0时候的温度就是绝对零度，压强不可能为负，所以就不会有比绝对零度更低的温度。
前人通过大量的工作测出了R=8.3144598 J/mol/℃。所以要测b其实很简单，我们取1mol气体，在1个大气压下，0摄氏度（冰水混合物温度）的条件下，我们也可以测量得到理想气体的体积是22.414 L。那么b（绝对0度在摄氏温标下的值）就可以计算出来了:b=-pVm/R=-273.15℃。
另外一种表述为：一定质量的气体，在保持压强不变的情况下，温度每升高（或降低）1℃，增加（或减小）的体积等于它在0℃时体积的1／273。照此推算，当温度降低至-273.15℃是物质的最低温度，物质世界里再没有比它更低的温度了。
参考资料：
王远,李海东,陈金灿.能斯特公式和零点热[J/OL].物理与工程:1-3[2023-11-21]. 汪志诚《热力学统计物理》、梁希侠《统计物理学》、刘玉鑫《热学》 by 蓝多多
Q.E.D.
Q5
衣服为什么会起毛球？
by 快乐米小夏
答：衣服起球会让衣服看起来质感变差，上身显得有点邋遢，这对所有爱美的小仙女来说，实在无法忍受！
让我们先一起看看衣物起毛球的过程。如下图所示，织物原样表面有毛羽；第一阶段是起毛，织物表面的纤维因不断经受摩擦从织物中抽出产生毛茸；第二阶段毛羽和纤维纠缠，并加剧纤维的抽拔；第三阶段成团，纤维纠缠越来越紧，最后形成小球粒；第四阶段成球，连接球粒的纤维断裂成抽拔，这就是我们常见的衣物上的毛球；最后阶段脱落，处理后，毛球粒会脱落。
影响起球的主要因素有下面几个：
纤维强度：纤维强度越高，连接毛球的能力越强，毛球越不易脱落，织物表面的毛球越多。
纤维长度：长纤维在纱线中受到的摩擦阻力比短纤维大，不易从纱线中被抽出，短纤维比长纤维更易起球。
纤维细短：细纤维比粗纤维更容易起球，纤维越粗其刚度越大，纤维末端不易弯曲，进而纠缠成球。
纤维卷曲度：纤维的波形越多，摩擦时纤维越容易松动滑移，越容易起球。
除此之外还跟纱线捻度、织物结构、织物表面平整性等因素相关。
可以通过如下方法改善这些问题：洗涤时将衣服翻过来，使用中性洗涤剂，适宜水温；减少摩擦，搭配的衣服尽量选择舒适柔软的细纤维面料；使用修剪器、滚筒毛毡，胶带，或刮眉刀去除毛球（刮眉刀一定要轻柔，只刮浮毛，避免损害衣物哦）。
by Serendipity
Q.E.D.
Q6
为什么A4纸撕开会毛边，而不是剪出来的整齐呢？
by 快乐米小夏
答：作为一个好奇宝宝，肯定遭遇过为啥面巾纸竖着撕比横着撕更顺滑，用剪刀剪纸比徒手撕纸，纸张的边缘更加整洁。那么找到你手边的放大镜或者显微镜，让我们仔细观察一下吧。
在放大镜下，纸的表面并不光滑，纸的纤维交错呈现出纹理。通过用手抚摸也可以感受纸张的质地；还可以看到纸的表面有一些微小的凸起和凹陷，这是因为纸的纤维束和胶质在制作过程中产生的；当纸被撕开后，可以看到纸的边缘出现了一些毛边；这些毛边是纤维交错的地方，撕开后的纸边缘有一些细小的纤维断头，这是因为撕裂的过程中纤维束被拉断造成的。
而不同方向下纸张撕裂的程度不同要归结于纸张的纤维方向。
撕得太丑不要介意T_T 纤维方向是指纸张中纤维排列的倾向性。它是在造纸过程中恒定排渣后的浆液经筛网振荡、传输、干燥等过程自然形成统一的纤维排列方向，这便使纸张具有了方向特性，纸张的这种特性能够影响包括力学性质在内的许多特性。
拿一张面巾纸，从图示两个垂直的方向撕开，会发现用的力量大小和撕开后的边缘形状都大不相同，这是因为力的方向与纤维方向不同造成的。纸张在平行纤维的方向拉伸强度要更大一些。当力的方向与纤维方向垂直时，力量作用到纤维间隙，撕开是将平行的纤维撕开，用力很小，而且因为纤维平行，撕开后的边缘相对更加整齐、平直。当力的方向与纤维方向平行时，力量均匀作用到平行的许多纤维上，撕开是使平行的纤维断裂，用力较大，而且因为不同纤维断裂位置不均匀，造成撕开后的边缘杂乱不平整。
而用剪刀剪纸，纸张撕裂的界面是一条直线，所以它的剪切面是整齐，受力均匀的。
by 蓝多多
Q.E.D.
Q7
为什么用水杯倒水的时候，会有一部分水沿着杯壁流？
by 匿名
答：在日常生活中，当我们缓慢地将水从水杯里倒出来时，会发现一部分水容易顺着杯壁流下，像这样倒出的流体附着在容器壁上的现象被称为"茶壶效应"。虽然这个现象在日常生活中非常常见，但想要准确、定量地描述这个现象还是有一定困难的。如果把“茶壶效应”的产生因素进行分类的话，可以从容器和流体本身两个方面来考虑。
对于容器来说，壶嘴的曲率越大，水流所需的向心力也越大，水就越容易与壶嘴分离，这也就是为什么薄而锐利的壶嘴更有利于倒水。此外，材料的润湿性（即液体在固体表面铺展的能力或倾向性）也有一定的影响，一般来说亲水材料比疏水材料更容易出现“茶壶效应”，这是由于亲水材料带有极性集团分子，容易与水形成氢键从而吸引水分子，使得水更容易沿着杯壁流下。
图a中是亲水材料做的壶口，当水流速较低时会出现“茶壶效应”；图b中是用疏水材料做的壶口，即使水流速较低时，也没有出现“茶壶效应” | [3] 对于流体本身而言，流速和粘度是两个主要的因素。简单来说，流体流速越低，粘度越大，此时粘滞力可能大于惯性力，使得液体更易于沿着杯壁流下。同样的，如果流体本身的粘度就大的话（你可以想象用茶壶倒粥），那么“茶壶效应”就会更加明显。当然倒水的时候水流两侧的气压的变化也会促进“茶壶效应”的产生，但它的影响效果非常微弱，这里就不做过多介绍了。
总结一下，如果你想要优雅地倒水，那么你最好用一个拥有薄而锐利壶口的茶壶，它最好是用疏水材料做的，然后快速倒水（不是粥或者其他粘稠的东西），从而最大避免水沿着杯壁流下来。
参考资料：
该如何解释茶壶效应？ 如何防止倒水时水流沿容器外表面洒在桌子上？ Duez, Cyril, et al. "Wetting controls separation of inertial flows from solid surfaces." Physical review letters 104.8 (2010): 084503. by Sid
Q.E.D.
Q8
为什么零势能面可以任意选取呢？能量是客观存在的还是像运动一样有一定主观性呢（表述可能不太严谨）?
by WT.l'hiver
答：我们通常所说的势能，指的是仅由位置决定的能量。势能的梯度，而非势能本身的大小才是重要的，而无论选择何处势能是零的点都不会影响势能的梯度，因此我们可以任意选择它以方便计算。> 在大部分的情况里，我们都会把不能够再被“提取”出能量的势能最低值称为势能零点，比如在弹簧里将弹簧没有对外作用的力的位置作为势能零点，或者是选取一个方便的位置，比如氢原子中，电子距离原子核无限远时，势能为零。
尽管这里讨论的势能是一个可以自由加减常数的能量，但能量的大小是否是真实客观的，现在还是一个待讨论的问题。比如令人困惑的零点能问题，它使我们相信由于不确定性原理，即使在“什么也没有的”真空状态也有一个最低的能量状态，零点能的存在被大多数物理学家接受，但它的大小和性质还很不确定，也有像施温格一样的学者顽固地拒绝这一概念。
by 单身男青年
Q.E.D.
Q9
冬天为什么总是刮风呢，还是非常大的风？
by 铁三
答：风是空气从高气压地区向低气压地区的流动。两个区域之间的气压差称为气压梯度。气压梯度越大，风力越强。冬季的气压梯度通常高于其他季节，因为冷气团和暖气团之间的温差较大。冷空气的密度比暖空气大，因此对地表的压力更大。当冷空气遇到暖空气时，会将暖空气推高，形成低压区。然后，冷空气涌入填补空隙，形成风。
影响气团之间温度和压力差异的一个因素是喷射气流，它是大气层上层快速移动的气流。喷射气流受地球自转以及赤道和两极之间热量差异的影响。在冬季，喷射气流向南移动并变得更强，因为热量对比更大。喷射流还能引导天气系统，如冷锋和风暴穿越陆地。这些系统会导致气压和风速的突然变化，尤其是当它们穿过山脉或其他障碍物时。
同时在笔者所在的中国北方为例，由于冬季非常干燥，湿度低。低湿度的空气密度较高，当这样的空气移动时，风感会更加明显，形成迎面大风。
因此，冬季总是多风或风很大的主要原因是，冬季气团之间的温差较大，气压梯度较高，从而喷射气流更强、变化更大，最后造成更多的天气扰动，形成我们感受到的刺骨风感。
by 青春小花🌸
Q.E.D.
Q10
彩虹为什么是圆弧形，而不是水平线或者波浪形或其他形状的？
by 匿名
答："哪里有彩虹告诉我，能不能把我的愿望还给我？为什么天这么安静，原来彩虹居然是一个圆形~"
彩虹是一种引人入胜的自然现象，其美妙的常常让人感到敬畏和好奇。彩虹之所以形成弧形，而不是水平线或波浪形，是因为光的物理学原理以及彩虹出现所需的特定条件。
彩虹的形成主要是由于折射和反射的作用，如上模式图所示，阳光进入雨滴后会发生弯曲，这个过程被称为折射。光的弯曲将阳光分离成彩虹的各种颜色。在雨滴内部，光线会发生反射，从雨滴背面反弹回来，然后从雨滴中射出。光线在射出的过程中又经历了一次折射，进一步分离出不同的颜色。每种颜色的光线反射角度略有不同，相对于射入的阳光，通常在40到42度之间。每颗雨滴内的折射和反射的综合效应对彩虹的颜色和形状的形成至关重要。
同时我们在生活中不难发现彩虹的弧形是很平滑均匀的，这是因为彩虹的形成过程是由大量的雨滴完成的，而每个雨滴只占整个圆的一小部分。雨滴悬浮在大气中，每颗雨滴都以相同的偏差角度散射光线，从而形成一致的弧形。这种一致性就是彩虹形状光滑、弯曲，而不是不规则或波浪形的原因。
可能有人想问为什么彩虹是弧形而不是完整的圆形？其实与我们的想象相反，彩虹实际上是一个完整的圆。然而，我们通常只能看到弧形的上半部分，因为地球的地平线挡住了下半部分。如果从飞机等高空观察彩虹，就有可能看到彩虹是一个完整的圆，如下图的空中飞行视角所示。我们通常看到的弧形是因为太阳和雨滴相对于观察者的位置。只有那些以折射和反射所需的特定角度反射光线的雨滴才会形成彩虹，地面上的观察者才能看到彩虹。
从本质上讲，彩虹优雅的弧线形状是阳光与雨滴精确互动的结果，其中涉及折射和反射的物理现象。光线散射的特定角度，再加上观察者在地面上的视角，形成了彩虹特有的迷人弧线。下次你就可以和朋友分享这一有趣的小知识啦！
参考资料：
by 青春小花🌸
Q.E.D.
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编辑：Gyoku
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