“媽媽你看！”

哇！這是怎么做到的？

問(wèn)答導(dǎo)航
Q1 一瓶水傾斜了它的重心改變嗎?
Q2 口罩的三層結(jié)構(gòu)都分別起了什么作用？
Q3 紫外線是如何對(duì)塑料材質(zhì)產(chǎn)生損傷的？
Q4 許多非放射性元素的同位素也有放射性，為什么不屬于放射性元素？
Q5 靠鳥嘴就能立住的平衡鳥，其重心在哪里？
Q6 能否解答一下高斯模糊的云？
Q7 雞蛋與鴿子蛋為什么煮熟后顏色不一樣？
Q8 視頻中那個(gè)積木的“獨(dú)木支撐”是什么原理？

Q1 初中老師講的是：一個(gè)物體位置改變，其重心不改變，但是如果一瓶水傾斜了，重心是不是改變了呢？

by 一名初中生

答：

首先一個(gè)物體位置改變，其重心不改變這句話適用于形狀不會(huì)發(fā)生變化的物體，而瓶中水是流體，在傾斜的過(guò)程中形狀會(huì)發(fā)生改變，重心也會(huì)發(fā)生改變。

我們考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的平面模型，在一個(gè)方形瓶子（杯子）中加入水，瓶身重力相較于水可忽略不計(jì)，如圖a，其中杯底的寬度為 ，水的高度為 。由于水的密度均一，此時(shí)重心的位置 為水的幾何中心 。將水瓶?jī)A斜一定角度 后，如圖b，此時(shí)水面仍然是個(gè)平面，我們需要確定此時(shí)水的重心的位置（注意，b圖這個(gè)角度并不代表水瓶可以在這個(gè)角度立在地上平衡，角度 僅代表與水平面的夾角，只是外力作用沒(méi)有畫出）。

我們可以在b狀態(tài)的水瓶底部建立坐標(biāo)系，如圖c。這個(gè)時(shí)候我們可以定性分析一下重心的改變情況，把圖c和圖a進(jìn)行比較，可以把傾斜過(guò)程看作是把左上角的水移到了右上角拼接，所以新重心在原重心G的右上方。

我們可以具體計(jì)算一下新重心的位置。圖c中我們可以把整個(gè)水分割成A、B兩部分，A為一個(gè)直角三角形，B為一個(gè)矩形。由于水的密度均一，A、B的重心在各自的幾何中心處。根據(jù)中學(xué)知識(shí)，三角形的重心是三條中線的交點(diǎn)，位于中線的2/3處，所以我們可以得到重心A的坐標(biāo)為 ；矩形的重心是對(duì)角線的交點(diǎn)，重心B的坐標(biāo)為 。而三角形A的面積為 ，矩形B的面積為 ，根據(jù)重心的計(jì)算合成，有新重心的坐標(biāo)

新重心相較于原中心 ，處于右上方。

回到原問(wèn)題，考慮瓶身的重力，對(duì)于一個(gè)未裝滿的水瓶，當(dāng)它傾斜時(shí)，由于瓶身本身的重心沒(méi)有改變，而瓶?jī)?nèi)水的重心改變了，所以整個(gè)水瓶的重心也會(huì)改變。

by endlesscliff

Q.E.D.

Q2 為什么一般口罩有三層，分別起什么作用?

by 匿名

答：

醫(yī)用口罩通常為三層結(jié)構(gòu)，由外層防水無(wú)紡布、中層熔噴布、內(nèi)層親膚無(wú)紡布組成，能夠有效阻隔飛沫、顆粒物和細(xì)菌。

外層采用疏水性無(wú)紡布作為防水層，表面經(jīng)過(guò)防水處理，能夠阻隔飛沫、大顆粒粉塵和污染物，防止外部液體噴濺滲透。

中層采用熔噴布作為過(guò)濾層，通過(guò)靜電吸附原理增強(qiáng)過(guò)濾效果，它能夠攔截PM2.5等微小顆粒物和細(xì)菌、病毒氣溶膠，普通的醫(yī)用口罩中熔噴布過(guò)濾效果在95%以上。

內(nèi)層親膚無(wú)紡布作為吸濕層，柔軟透氣吸收佩戴者呼出的水汽，減少口鼻潮濕感，提升舒適性。

by 藍(lán)多多

Q.E.D.
Q3 紫外線是如何對(duì)塑料材質(zhì)產(chǎn)生損傷的,為何塑料材質(zhì)接觸紫外線會(huì)黃化，開裂，脆化，粉化？

by 匿名

答：

這些現(xiàn)象涉及到紫外線對(duì)有機(jī)化學(xué)鍵的破壞和活性鍵化學(xué)變化的雙重作用。

塑料中的聚合物分子在紫外線照射下，吸收光子能量會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)。紫外線的能量可以打開聚合物鏈中的一些弱化學(xué)鍵（例如C-H鍵、C-C鍵），從而產(chǎn)生高活性的自由基（R·），這些高活性自由基與空氣中的氧氣反應(yīng)生成過(guò)氧化物自由基（ROOH），這些過(guò)氧化物自由基會(huì)“奪取”鏈中的氫，導(dǎo)致聚合物鏈斷裂和交聯(lián)，且這個(gè)過(guò)程是不可逆的。

下面我們一一解釋各種現(xiàn)象的成因。

開裂、脆化是由于分子鏈斷裂導(dǎo)致韌性下降，出現(xiàn)裂痕。黃化，含氧基團(tuán)的形成是主要原因，這些基團(tuán)改變了材料的光吸收特性，更易吸收短波長(zhǎng)光，肉眼看來(lái)就“變黃了”。粉化是由于塑料的顏料或填料暴露，導(dǎo)致表面粗糙、失去光澤。

總的來(lái)說(shuō)，是由于紫外線破壞塑料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)而引發(fā)的外觀和機(jī)械性能的變化。不同種類塑料具體的光老化機(jī)制受聚合物組成和性質(zhì)的影響，但基本原理是類似的。

參考資料：

1. 余小琴.光照對(duì)微塑料老化的影響過(guò)程和機(jī)制[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2022.DOI:10.27409/d.cnki.gxbnu.2022.000686.

by 跑馬仔

Q.E.D.
Q4 很多非放射性元素的同位素也具有放射性，但為什么它們不叫做放射性元素？

by wyh

答：

這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是搞清楚放射性元素和具有放射性的定義的區(qū)別。

放射性是指原子不穩(wěn)定，能自發(fā)地放出粒子或射線，并轉(zhuǎn)化為另一種原子或能態(tài)，是一種物理現(xiàn)象。放射性元素是指自然狀態(tài)下的所有同位素都具有放射性的元素，43號(hào)锝和61號(hào)钷以及所有原子序數(shù)在84（釙）及以上的元素都屬于放射性元素，這是一個(gè)名詞分類。而有些元素，比如碳元素，碳-12是穩(wěn)定的，碳-14具有放射性，所以碳元素是非放射性元素，它的某種或幾種同位素具有放射性，但并不滿足所有同位素都具有放射性。

所以，元素具有放射性和放射性元素并不等價(jià)，放射性元素是一個(gè)特定的標(biāo)簽，而具有放射性是一種屬性。

參考資料：

1. 吳文斌, 等. 同位素與放射化學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2013.

by 跑馬仔

Q.E.D.

Q5 那種撐住鳥嘴就能立在手指上的小鳥，重心是在哪里呢？

by 匿名

答：

這種小玩具叫做平衡鳥，它是用鳥嘴作為支點(diǎn)來(lái)穩(wěn)定平衡的，主要玩法就是通過(guò)嘗試改變放置位置，使得重心位置剛好在鳥嘴尖端與支撐點(diǎn)的下方，形成力矩平衡。其重心在鳥嘴的正下方，鳥嘴與手指接觸點(diǎn)垂直于地面的線上，重心位置低于支撐點(diǎn)。

平衡鳥

在外觀上鳥的身體和尾巴都在支撐點(diǎn)的一側(cè)看起來(lái)會(huì)掉下來(lái)，其實(shí)在小鳥的內(nèi)部有一個(gè)隱藏的配重塊(圖上一般在翅膀的位置)，使得小鳥的實(shí)際重心位置非常低，恰好在鳥嘴尖的下方。因?yàn)槲覀円酪稽c(diǎn)就是：任何物體要保持平衡，其重心投影必須落在支撐面或支撐點(diǎn)內(nèi)。當(dāng)你把鳥嘴放在手指上時(shí)，小鳥會(huì)輕微擺動(dòng)，直到它的重心移動(dòng)到手指支撐點(diǎn)的正下方，這時(shí)重力的作用線通過(guò)支撐點(diǎn)，不產(chǎn)生使其旋轉(zhuǎn)的力矩，因此小鳥就能保持一個(gè)看似“不可能”的穩(wěn)定平衡。

如果想要自己制作平衡鳥也非常簡(jiǎn)單，可以參考下面的鏈接自己制作哦~

by 藍(lán)多多

Q.E.D.

Q6 2月1號(hào)北京的云都是高斯模糊，物理老師能不能解答一下？

by 匿名

答：

同學(xué)你好！這種看起來(lái)像奶油般化開的云，在氣象學(xué)上通常被稱為莢狀云（Lenticular clouds）。這種模糊感并非來(lái)源于相機(jī)算法或者觀測(cè)偏差，而是一場(chǎng)由流體力學(xué)、熱力學(xué)相變和動(dòng)力學(xué)滯后共同導(dǎo)演的宏觀統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

首先，我們來(lái)搞清楚莢狀云的成因。

莢狀云本質(zhì)上是山地重力波誘導(dǎo)的產(chǎn)物。大氣需處于穩(wěn)定狀態(tài)（即溫度隨高度遞減較慢，甚至存在逆溫層），這樣空氣在垂直方向受擾動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生振蕩，而非持續(xù)上升或下沉。這是重力波能夠傳播和維持的前提。當(dāng)風(fēng)向相對(duì)穩(wěn)定，風(fēng)速較強(qiáng)，且風(fēng)向大致垂直于山脈走向時(shí)，氣流遇到山脈等障礙物被迫抬升產(chǎn)生駐波。在重力波的波峰位置，空氣上升、絕熱膨脹、冷卻至露點(diǎn)溫度以下凝結(jié)形成云。而在波谷處，空氣下沉、溫度升高、云滴蒸發(fā)消散。因此，云只出現(xiàn)在波峰處，形成靜止不動(dòng)的透鏡狀云。

莢狀云的成因

根據(jù)中國(guó)天氣網(wǎng)的報(bào)道，2026年2月1日北京白天晴轉(zhuǎn)多云，午后到傍晚高海拔山區(qū)有零星小雪，偏北風(fēng)三級(jí)左右，陣風(fēng)六級(jí)左右，最高氣溫7℃。冬季強(qiáng)勁的西北季風(fēng)垂直吹向燕山和太行山，為莢狀云提供了完美的動(dòng)力源。

那么為什么云的邊界會(huì)模糊呢？要明確一個(gè)概念：云的邊緣并不是清晰的實(shí)體邊界，而是相變發(fā)生的區(qū)間。水汽凝結(jié)成云滴（或冰晶）不是瞬間完成的，它需要一個(gè)相變弛豫時(shí)間τ。在六級(jí)強(qiáng)風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下，即便相變過(guò)程只需幾秒，空氣質(zhì)點(diǎn)也已經(jīng)向后飛出了幾十米。這種位移導(dǎo)致的平滑效應(yīng)，在物理上直接抹除了高頻的空間細(xì)節(jié)，造成了視覺(jué)上的邊緣拉伸。

此外，既然同學(xué)提到了高斯模糊，我們也可以嘗試從高斯卷積核的角度來(lái)解釋這個(gè)問(wèn)題。在晴轉(zhuǎn)多云的穩(wěn)定大氣中，高空濕度場(chǎng) 是一個(gè)連續(xù)變化的標(biāo)量場(chǎng)。濕度在空間上的分布可以用一個(gè)線性近似來(lái)表示： β 。空氣中的凝結(jié)核大小不一、成分各異。根據(jù)科勒理論（K?hler Theory），較大的或吸濕性強(qiáng)的粒子在 為98%時(shí)就開始吸水長(zhǎng)大，而較小的粒子可能需要 為101%才能激活。在物理學(xué)上，我們將激活濕度的分布稱之為凝結(jié)核的激活譜。這個(gè)譜分布在統(tǒng)計(jì)學(xué)上通常符合正態(tài)分布（高斯分布）：

這意味著，凝結(jié)過(guò)程并不是在 為100%處瞬時(shí)發(fā)生，而是在一個(gè)以 為中心的閾值區(qū)間內(nèi)散亂地發(fā)生。如果所有粒子都在同一點(diǎn)凝結(jié)，云的亮度分布 應(yīng)該是一個(gè)階躍函數(shù) 。實(shí)際上，每一個(gè)點(diǎn)的亮度貢獻(xiàn)都要乘以該處粒子的激活概率。由于濕度梯度 β 的存在，空間位置 直接映射到了濕度值 。于是，微觀的“激活概率分布”就轉(zhuǎn)化成了空間上的高斯核 σ 。

因此，觀測(cè)到的云邊緣亮度分布 是理想階躍信號(hào)與高斯核的卷積:

這也就是高斯模糊的原理，用高斯卷積核去掉頻域空間的高頻信息和時(shí)域空間的復(fù)雜信號(hào)。同學(xué)你看到的“高斯模糊”，其實(shí)是北京強(qiáng)勁的高空風(fēng)與緩慢的相變動(dòng)力學(xué)在物理空間上進(jìn)行的一次卷積運(yùn)算，是燕山山脈與西北季風(fēng)的在京畿上空的共鳴。

參考資料：

by 單身男青年

Q.E.D.

Q7 為什么雞蛋煮后蛋清是白色的，而鴿子蛋卻是半透明狀的？

by 喬小魚

答：

答：這與兩者蛋清中的蛋白質(zhì)種類及濃度差異密切相關(guān)。雞蛋煮熟后之所以會(huì)變白，是因?yàn)?strong>原本松散的蛋白質(zhì)受熱后會(huì)相互纏繞，形成固態(tài)的凝膠網(wǎng)絡(luò)，將周圍水分包裹其中。當(dāng)光線穿過(guò)煮熟的雞蛋時(shí)，大部分可見(jiàn)光會(huì)被這種凝膠網(wǎng)絡(luò)散射回來(lái)，最終讓蛋清呈現(xiàn)出不透明的白色。

而鴿子蛋的情況有所不同，其蛋清蛋白（PEW）的β-折疊結(jié)構(gòu)占比、表面疏水基團(tuán)及游離巰基含量均高于雞蛋蛋白（CEW），且zeta電位絕對(duì)值更大，蛋白糖基化程度也更高。這些特性能有效抑制蛋白質(zhì)在熱變性過(guò)程中的過(guò)度聚集，讓受熱后的鴿子蛋更容易形成精細(xì)的鏈狀凝膠網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)光線的散射作用會(huì)大幅減弱，因此鴿子蛋煮熟后會(huì)顯得更透明。不過(guò)，并非所有鴿子蛋加熱后都能保持高透明度。鴿子的品種、日常飲食組成、雞蛋的儲(chǔ)存條件等外部因素，都會(huì)影響其蛋清蛋白的結(jié)構(gòu)與聚集狀態(tài)，進(jìn)而改變最終的透明效果。

參考資料：

1. Yang C, Hu G, Xiang X, et al. Translucency mechanism of heat-induced pigeon egg white gel[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2023, 253: 126909.

by Sid

Q.E.D.

Q8 視頻中這個(gè)搭積木的視頻是什么原理呢？為什么可以“獨(dú)木支撐”？

by 熱心網(wǎng)友

答：

近期抖音等平臺(tái)上一個(gè)小朋友搭積木的短視頻火了，大家在驚嘆于這個(gè)積木富有美感的結(jié)構(gòu)之余是否仔細(xì)想過(guò)其能維持穩(wěn)定的物理原因呢？下面就跟著小編一起來(lái)拆解一下這個(gè)結(jié)構(gòu)吧~

首先我們先來(lái)看上面這個(gè)規(guī)則的階梯狀結(jié)構(gòu)，且不妨從受力最為簡(jiǎn)單的一段開始分析。圖一示意了最頂端的幾個(gè)積木塊。我們都知道，一個(gè)剛性物體想保持靜止，需要滿足兩個(gè)基本條件：其一是受力平衡，這一點(diǎn)保證其不會(huì)發(fā)生質(zhì)心的位移；其二是力矩平衡，這一點(diǎn)保證其不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于最頂端的綠色和藍(lán)色積木塊，其受力是最簡(jiǎn)單的，只需要下方的灰色塊分別對(duì)他們提供與重力等大反向的支持力平衡掉重力即可。且所受的重力和支持力的作用線都通過(guò)質(zhì)心，那么力矩平衡也是天然保證的。

圖一 階梯結(jié)構(gòu)受力分析示意

但是對(duì)于灰色塊，事情似乎變得復(fù)雜一些，一方面它受到了來(lái)自綠色和藍(lán)色方塊的壓力，這是對(duì)二者支持力的反作用力。另一方面，它自身受到重力，且受到來(lái)自下方橙紅色快的支持力。我們不妨先看看力矩平衡是如何保證的。以灰色塊質(zhì)心為參考點(diǎn)，其自身重力通過(guò)質(zhì)心，不貢獻(xiàn)力矩。綠色塊和藍(lán)色塊施加的壓力雖然等大，但是力臂長(zhǎng)度明顯綠色的更大。不平衡了！等等，如果來(lái)自橙色塊的支持力不通過(guò)灰色塊的質(zhì)心，而是偏左一些呢？似乎又可以達(dá)成平衡（如灰色箭頭所示）。其實(shí)這是由于上面的灰、綠、藍(lán)三個(gè)塊對(duì)于橙色塊而言可以看作一個(gè)整體，橙色塊給上方的支持力通過(guò)三個(gè)塊整體的質(zhì)心即可，而這個(gè)質(zhì)心恰好是在灰色塊質(zhì)心偏左一些的。于是，以此類推，每一個(gè)下方的塊都滿足和灰色塊類似的受力和力矩平衡條件，自然整體是穩(wěn)定的。

圖二 下方支撐結(jié)構(gòu)受力分析示意

至于為什么藍(lán)色塊被意外碰倒之后整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性依然存在，其原因很簡(jiǎn)單：上方結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)化為一個(gè)平行四邊形示意）整體受到的重力的延長(zhǎng)線落在了粉色方塊上，因此支持力只需要由粉色方塊提供。上方整體可以看作只受到重力和支持力，也滿足受力和力矩平衡。說(shuō)到這里，粉色塊似乎想說(shuō)：終究是某些“塊”扛下了所有……

by 云開葉落

Q.E.D.

投票 本期答題團(tuán)隊(duì)

endlessclif、藍(lán)多多、跑馬仔、單身男青年、一毫、Sid、云開葉落

往期也精彩

編輯：涼漸&4925