問答導(dǎo)航
Q1 你知道北方冬天的門為什么經(jīng)常被卡住嗎？
Q2 為什么冬天烤火后容易感到疲憊？
Q3 打印機(jī)的是怎樣工作的？
Q4 不斷放屁會(huì)把沙發(fā)熏臭嗎？
Q5 暈車的成因以及只帶一只耳機(jī)為何能緩解暈車？
Q6 如何理解三維宇宙是有限但無界的？
Q7 吹口哨的聲音是如何發(fā)出來的？

by 莫問

答：

木材是一種有一個(gè)特殊方向（即木質(zhì)紋理方向）的材料，在這個(gè)方向上，木材無論是冷縮還是失水收縮都比其它方向明顯一些。由于門板和門框/地板的紋理方向未必完全一致，冷縮和失水收縮時(shí)會(huì)導(dǎo)致兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起鎖舌鎖孔錯(cuò)位以及活動(dòng)面相互擠壓摩擦力顯著增大，造成木門難以打開。

從而，兩者都是木門難以打開的原因。然而失水收縮和冷縮哪個(gè)才是主要原因？這要比較兩者引起的收縮率。固然可以直接去查木材的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但作為學(xué)物理學(xué)的，一些簡(jiǎn)單的紙上估計(jì)就足以回答。

以膨脹為例來估計(jì)（收縮作為其逆過程是一樣的）。膨脹過程是外力（無論是熱還是濕潤(rùn)吸水）對(duì)抗木材本身彈性使木材變大的過程。木材膨脹的比例與驅(qū)動(dòng)力/彈性回復(fù)力的比正相關(guān)。

首先估計(jì)木材的彈性，以把木材拉伸100%的壓強(qiáng)為標(biāo)志。鋼鐵的壓強(qiáng)大概在200GPa左右，這是熟知的；木材比鋼鐵軟的多，于是估計(jì)為10GPa。

經(jīng)過一些計(jì)算，得知伸縮比例與驅(qū)動(dòng)壓強(qiáng)/彈性特征壓強(qiáng)的平方根成正比。對(duì)于熱驅(qū)動(dòng)的膨脹，假設(shè)溫度變化10度左右（因?yàn)闇囟茸兓@然大于1度而小于100度），將木材吸收的熱能用于膨脹的部分換算為壓強(qiáng)，約為10kPa,于是熱脹冷縮的變化是千分之一左右。

而對(duì)于吸水膨脹，通過熱力學(xué)的估計(jì)，水滲入木材的滲透壓約為1MPa，于是失水/吸水的變化是百分之一左右。

因此，主因是木門的失水收縮。由于北方濕度變化比南方大得多（相較溫度變化的差異而言），這也解釋了為什么這一現(xiàn)象更常見于北方。

參考文獻(xiàn)：

1. Lu, J., Xu, W., Xue, Y., & Xu, X. (2023). 木材熱濕物性參數(shù)測(cè)試與比較 [Test and comparison of hygrothermal properties of wooden materials]. 建筑科學(xué) (Building Science), 39(8), 160–167.

by 歐拉格朗日

Q.E.D.
Q2 為什么在冬天人烤火之后會(huì)感到疲憊，乏力，慵懶等等癥狀呢？

by 南方小土豆

答：

冬天烤火后，人常常會(huì)覺得渾身放松、困意襲來，這其實(shí)與多種可能的因素有關(guān)。

在神經(jīng)系統(tǒng)層面，溫暖環(huán)境會(huì)讓負(fù)責(zé)放松與恢復(fù)的副交感神經(jīng)變得活躍，而緊張警覺的交感神經(jīng)活動(dòng)減弱。副交感神經(jīng)主導(dǎo)后，人會(huì)感到安寧、心跳變慢、肌肉松弛，困倦感隨之而來。

心理上，火光的閃爍與溫暖的色調(diào)會(huì)給大腦帶來安全、放松的暗示，這種“被庇護(hù)”的感覺也會(huì)進(jìn)一步放大困意。

此外，冬季的室外溫度較低，寒冷環(huán)境中，身體為維持核心體溫而進(jìn)入“警覺模式”——皮膚血管收縮，減少熱量散失；肌肉輕微顫抖以產(chǎn)生熱量；心率上升、代謝加快。當(dāng)你坐到火爐旁，溫度驟升，皮膚血管迅速擴(kuò)張，大量血液流向體表幫助散熱，結(jié)果造成相對(duì)性的大腦灌注壓下降，從而引發(fā)類似供血不足的癥狀（頭暈與倦?。?。同時(shí)，身體不再需要高代謝來抗寒，能量消耗下降，從高負(fù)荷狀態(tài)轉(zhuǎn)為節(jié)能模式，也會(huì)讓人感覺慵懶無力。

再者，烤火時(shí)，雖然體表溫度升高，但受到大腦調(diào)節(jié)，身體會(huì)通過向外部散熱的機(jī)制（如血管舒張），來主動(dòng)降低核心體溫。這個(gè)散熱過程與自然睡眠前的生理過程非常相似，從而“欺騙”了大腦，觸發(fā)了睡意。

如果采用傳統(tǒng)的火塘，炭盆等取暖方式并且烤火環(huán)境密閉，氧氣消耗增加或燃料不完全燃燒產(chǎn)生一氧化碳，還可能造成輕度缺氧，使人出現(xiàn)頭暈、乏力、昏沉等癥狀。不過需要注意的是這種情況可能是輕度一氧化碳中毒的早期信號(hào)，采用木炭取暖時(shí)應(yīng)確保通風(fēng)良好，避免在封閉空間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間烤火取暖。

參考文獻(xiàn)：

1. Crandall, C. G., & González-Alonso, J. (2010). Cardiovascular function in the heat-stressed human. Acta Physiologica, 199(4), 407–423.

2. Tan, C. L., & Knight, Z. A. (2018). Regulation of body temperature by the nervous system. Neuron, 98(1), 31–48.

3. Kr?uchi, K. (2007). The thermophysiological cascade leading to sleep initiation in relation to phase of entrainment. Sleep Medicine Reviews, 11(6), 439–451.

4. Ernst, A., & Zibrak, J. D. (1998). Carbon monoxide poisoning. New England Journal of Medicine, 339(22), 1603–1608.

by 星空

Q.E.D.
Q3 打印機(jī)是如何工作的？

by 好奇寶寶

答：

無論哪種打印機(jī)，其工作流程都可以簡(jiǎn)化為接收數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)與執(zhí)行打印三個(gè)步驟。根據(jù)執(zhí)行打印的工作方式，常見打印機(jī)可以分為噴墨式和激光式。

噴墨打印機(jī)，顧名思義，其打印是通過噴嘴將微小的液體墨滴噴射到紙張上。噴墨方式主要有熱感應(yīng)式（通電加熱墨水，產(chǎn)生氣泡將墨滴“推”出）與微壓電式（利用晶體通電形變，將墨滴“彈”出）。打印時(shí)，打印頭在紙張上方橫向移動(dòng)，根據(jù)指令從特定噴嘴噴射墨滴。每完成一行，紙張便微微前進(jìn)，打印頭繼續(xù)下一行。成千上萬的墨滴精確組合，最終形成文字或照片。

激光打印機(jī)的工作原理則基于靜電，其核心部件是感光鼓（由于歷史上曾以含硒的材料制成，因此也因襲舊稱，稱為硒鼓）。它的工作過程可簡(jiǎn)化為五個(gè)核心步驟：

充電：感光鼓旋轉(zhuǎn)，充電輥（gǔn）使其表面均勻布滿靜電荷。

曝光：激光束根據(jù)圖像內(nèi)容掃描感光鼓。感光鼓表面光導(dǎo)材料具有光敏性，在受到激光束照射后被光照的部分與鼓的導(dǎo)電層導(dǎo)通，電荷消失。沒有被光照射的部分仍帶電荷。形成一個(gè)看不見的“靜電潛影”。

顯影：帶相反電荷的墨粉被吸附到感光鼓上仍有電荷的區(qū)域，“靜電潛影”變?yōu)榭梢姷哪蹐D像。

轉(zhuǎn)印：紙張從另一側(cè)被送入，在通過感光鼓與轉(zhuǎn)印輥間時(shí)，轉(zhuǎn)印輥在紙張背面施加更強(qiáng)電荷，將墨粉圖像“吸”到紙面上。

定影：紙張通過高溫高壓的定影單元，墨粉被熔化并壓入紙張纖維。因此，剛打印出的紙張是熱的。

圖源網(wǎng)絡(luò)

by 滪旸

Q.E.D.
Q4 一直坐在沙發(fā)上放屁，沙發(fā)會(huì)變臭嗎？

by 匿名

答：

這個(gè)問題味真足。就正常人的屁來說，你幾乎不可能真正把沙發(fā)墊子腌入味，反正我失敗了。

人的屁的臭味組分主要有含硫化合物、含氮化合物等，通常濃度在 量級(jí)。對(duì)于胃腸脹氣的人，取硫化氫為典型組分，濃度可到達(dá) 。而沙發(fā)墊子主要由聚氨酯或聚酯纖維構(gòu)成，沒有與這些氣體高效強(qiáng)力結(jié)合的官能團(tuán)。

對(duì)于吸附過程，我們用常見的朗繆爾吸附模型，它指出吸附率為

即便是長(zhǎng)時(shí)間的浸在屁味里，達(dá)到了吸附平衡，取活性炭和硫化氫的 , ，得到 ，這太小了，根本不足以使得沙發(fā)永遠(yuǎn)變臭。盡管如此，長(zhǎng)時(shí)間的汗液浸泡、皮屑脫落，微生物的滋生還是會(huì)使得沙發(fā)變味，但絕對(duì)不止因?yàn)槟惴帕似ā?/p>

所以你不太可能把沙發(fā)墊子“腌”入味，但是入味是有可能的，因?yàn)樯嘲l(fā)的疏松多孔結(jié)構(gòu)所帶來的物理吸附能夠比化學(xué)吸附儲(chǔ)存更多的臭氣。我們就假設(shè)通過奇妙過程導(dǎo)致沙發(fā)的孔隙里充滿了屁。屁的釋放遵循菲克定律

數(shù)值求解一維方程。由于正常人是坐下來放屁再起身，事實(shí)上沙發(fā)內(nèi)部屁還會(huì)被稀釋，立刻( )湊近( )聞，還會(huì)再稀釋 倍左右。遺憾的是，這距離其嗅閾 還差的太遠(yuǎn)，你還是能夠聞到一晚上的工作。但是只要有一點(diǎn)點(diǎn)通風(fēng)，經(jīng)過了十個(gè)小時(shí)，濃度也能順利降到原來的 倍，對(duì)于大多數(shù)屁的組分來說，這低于嗅閾了，根本聞不到。

所以說，充氣一整晚，漚味十小時(shí)，居然不臭了，對(duì)于愛干凈的各位網(wǎng)友來說，自然不必?fù)?dān)心~

參考文獻(xiàn)：

1. Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). (2017). Toxicological profile for hydrogen sulfide. U.S. Department of Health and Human Services.

by zbl

Q.E.D.
Q5 為什么戴單只耳機(jī)可以緩解暈車？暈車不是視覺上給大腦傳遞錯(cuò)誤信息造成的嗎？

by 賣樂樂的

答：

結(jié)論是：戴單只耳機(jī)確實(shí)可能緩解暈車，但關(guān)鍵不在“耳機(jī)治病”，而在它巧妙地轉(zhuǎn)移了大腦注意力。

暈車的根源，之前的問答欄目已經(jīng)詳細(xì)解答，這里就不在贅述啦No.474的Q1在此基礎(chǔ)上，我們思考那耳機(jī)能如何“干預(yù)”呢？研究顯示，暈動(dòng)癥不僅與感覺沖突有關(guān)，也與注意力分配有關(guān)。聽音樂是一項(xiàng)需要認(rèn)知加工的活動(dòng)——大腦要處理節(jié)奏、旋律、歌詞等多層信息，從而占用部分注意資源。這樣一來，大腦留給“沖突信號(hào)”的計(jì)算能力減少，主觀不適感隨之減輕。

而“單只耳機(jī)”的效果，可能來自其“不對(duì)稱的刺激方式”。一只耳朵聽音樂，另一只耳朵仍能感知車輛的真實(shí)環(huán)境聲，這種混合聽覺輸入增加了大腦的整合負(fù)荷，進(jìn)一步起到“分散注意”的作用。雖無確切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但該假說與“認(rèn)知干擾”減輕暈動(dòng)癥的模型相符。

當(dāng)然，這種方法并非治本。若想真正緩解暈車，仍建議保持視線穩(wěn)定、適當(dāng)通風(fēng)，或在必要時(shí)使用藥物。單耳機(jī)緩解暈車，更像是一場(chǎng)精妙的“心理戰(zhàn)術(shù)”——讓大腦忙起來，就不暈了。

參考文獻(xiàn)：

1. Bos, J. E., Bles, W., & Groen, E. L. (2008). A theory on visually induced motion sickness. Displays, 29(2), 47–57.

2. Keshavarz, B., & Hecht, H. (2014). Pleasant music as a countermeasure against visually induced motion sickness. Applied Ergonomics, 45(3), 521–527.

by 檸七

Q.E.D.
Q6 如何理解三維宇宙的有限但無界？地球球面的二維類比似乎不能讓我理解三維情況

by 匿名

答：

這涉及到了拓?fù)涞闹R(shí)。我們從小教授的空間都是平直的，也即滿足勾股定律的空間。但是事實(shí)上這只是空間（不管是二維，三維，乃至更高維）的一種特殊情況。有無數(shù)種彎曲的空間存在。我們一般認(rèn)為我們的宇宙是一個(gè)有限但沒有明顯邊界存在的三維空間（這里先不考慮四維時(shí)空）。我們一般無法想象彎曲的三維空間是因?yàn)閺澢娜S空間至少也需要內(nèi)嵌于平直的四維空間中。我們只能夠通過彎曲的二維空間類比到彎曲的三維空間。

大家可以在身邊找一張紙和一個(gè)球。紙的單面就是一個(gè)平直的二維空間（注意是紙的單表面而不是這張紙本身）。同樣的球，以及我們的地球表面是一個(gè)彎曲的二維空間。這里說的表面大家可以想象成球上印圖案的表面，而不是我們生活的地球表面（我們生活在三維空間中，不是二維的地球表面）。

換到三維空間的情況可以參考《從一到無窮大》這本書中的例子：想象兩個(gè)削了皮的像橡皮泥一樣的蘋果，我把它們壓到一起，使得這倆個(gè)蘋果都沒有表面露在外面，每一處表面都與另一個(gè)蘋果緊緊貼合。這就是一個(gè)彎曲三維空間的例子。

by 靈境

Q.E.D.
Q7 為什么通過改變氣流和嘴型，嘴巴就能在吹口哨的時(shí)候，剛好吹出來腦袋里想的音樂調(diào)調(diào)？

by

答：

我們先來解釋一下吹口哨的原理。要吹響一聲口哨，需要空氣振動(dòng)和聲音放大兩個(gè)步驟。當(dāng)從嘴里吹出的高速氣流進(jìn)入到流動(dòng)緩慢的空氣中時(shí)，會(huì)因?yàn)槭艿狡渥枇Χ纬?strong>湍流。如圖所示，湍流中存在的小渦旋會(huì)扭曲氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡，讓其發(fā)生波動(dòng)——這就是口哨聲的來源，它實(shí)際上是空氣的振動(dòng)。

氣流經(jīng)過狹縫形成湍流示意圖[1]

然而這種振動(dòng)發(fā)出的聲音頻率有高有低，為什么我們能吹出來音調(diào)單一的聲音呢？這里口腔就起到了很重要的作用?？谇徽f到底就是一個(gè)形狀和體積可以變化的空腔，當(dāng)某個(gè)頻率的聲波的波長(zhǎng)恰好能夠在口腔中經(jīng)過多次反射后形成駐波時(shí)（即聲波的頻率等于口腔的固有頻率），這個(gè)特定頻率的聲波振幅就會(huì)被放大，而其他頻率的聲波則不會(huì)，于是我們就只能聽到這一個(gè)音調(diào)了。所以，口腔在這里就相當(dāng)于一個(gè)具有濾波功能的諧振腔，我們通過改變口腔的形狀和體積，來改變其固有頻率，從而改變口哨的音調(diào)。

至于為什么我們能吹出腦子里想的調(diào)調(diào)？這是因?yàn)楫?dāng)你吹出一聲口哨時(shí)，這個(gè)聲音會(huì)立刻反饋給你的大腦，大腦對(duì)這個(gè)聲音與預(yù)期的聲音進(jìn)行比對(duì)，再向嘴巴發(fā)出指令，微調(diào)其形狀，直到你吹出想要的聲音。而當(dāng)你熟練了之后，這個(gè)反饋就形成了一種無意識(shí)的肌肉記憶，從而讓你產(chǎn)生一種“所想即所聽”的神奇的感覺。

參考文獻(xiàn)：

1. Edge Tone

2. 趙凱華,羅蔚茵.新概念物理教程.力學(xué)[M].高等教育出版社,2019

by 叉叉

Q.E.D..