溜溜球甩出去，为什么能自己滚上来？| No.147_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-03-22 16:12
溜溜球与小弹珠、四驱赛车并称为童年三大宝物，
但是从小到大从来没想明白溜溜球下去以后是怎么上来的
本着排除万难也要答疑解惑的精神
我们今天把目光对准了悠悠球
看看这个困扰了数十年的究极难题
1
Q
溜溜球甩出去，为什么能自己滚上来？
by 小林桔子
A
溜溜球，又称悠悠球，是一项花式纷繁、极具观赏性的手上技巧运动。据传起源于菲律宾狩猎民族在狩猎和战斗所使用的武器——绳子前端悬挂着重物，并且Yo-Yo在菲律宾的土语塔加路语中是“回来”或“去回来”的意思。那么，溜溜球在甩出去之后是如何回来的呢？
如图所示，传统的溜溜球中单股绳直接系在轮轴上，将溜溜球的轮轴和轮盘看作一个刚体，在溜溜球被向下甩出的过程中，在重力和人给予的初始冲量的作用下向下运动，同时由于重力和绳子对其的力矩作用开始转动，重力势能逐渐转换成平动动能和转动动能,随着重力势能的减少,下落的速度越来越快,转动的速度也越来越快。当细绳全部展开后,下落速度和转动速度达到最大值,这时原来的重力势能完全转化为平动动能和转动动能。
由于转动惯性的作用，在最低点时溜溜球还会继续旋转，但此时细绳已经全部展开，溜溜球已不可能继续往下走，由于细绳与轮轴是固连的，继续旋转就会从另一个方向开始缠绕细绳，开始爬升，即所谓的“自己滚上来”。但由于细绳不是完全弹性体，在溜溜球转向的过程中平动动能有所损失，在向上运动时不会回到初始位置，因此需要在初始时将悠悠球“甩”出去或在最低点时迅速提一下细绳以补充能量损失。
为了使溜溜球在最低点处悬停足够长的时间来完成一些高难度动作，发展了一系列现代化溜溜球——轴承型、离合型溜溜球等。其原理与图中的现代溜溜球基本一致，细绳与轮轴没有直接固连，在最低点时轮轴能够继续克服细绳对其的摩檫力旋转而不缠绕细绳。为了使溜溜球滚上来，有时需要提一下细绳，使得轮轴与细绳接触的地方压力增大，对应摩檫力增大，大于静摩擦力时即会使细绳开始缠绕轮轴，进而开始爬升，回到玩家手中。
与麦克斯韦滚摆类似，不考虑空气阻力和细绳在下落及悬停时对轮轴的摩檫力，并且细绳是完全弹性的在无阻力情况下，自由释放的溜溜球会每次都会到原来的高度。
补番推荐：《超速YO-YO》；《火力少年王》——想当年小编还是手握火凤萌新呢！
参考：溜溜球的力学原理
By 勿用
2
Q
为什么摇汽水后可乐会喷出来，明明是只要气漏完，瓶内气压就恢复平衡了，而且水是在气体的下面的。
by cmd
A
几乎所有的果汁饮料都会写着“喝前请摇匀！”，那为什么可乐瓶上不这么写呢？当然是因为它会喷出来啦，是的，你没看错，就是喷出来，像这样——
作为一名资深死肥宅，不管是樱桃味的还是胡椒味的，听装的还是罐装的，蓝瓶的还是白瓶的，嗯，假装都喝过。。针对提问者的疑问，在此说明一下可乐会喷出来的两个关键点——气压平衡和水气分布。
汽水摇一摇后，气体从液体中逸出，弥散在可乐瓶极小的气体空间内，气压很大，打开瓶子的瞬间，气体跑出瓶口，如果仅仅是这样的话，瓶内气压会即刻回复平衡，可乐就不会喷出来了。但有一点需要注意的是，气体在在摇一摇后并没有立刻全部完成水气分离，部分气体分子依然在不断地从液体逸出，同时还有部分聚集的较大气体分子附着在瓶壁上，摇一摇后立刻开瓶的瞬间，这些气体分子会附着液体一起喷出，当然其中还隐含着气体分子逐渐增大的热力学过程。为了防止可乐喷出，可以在摇一摇后静置一段时间，然后缓慢打开放气，或敲一敲可乐罐，使罐壁的气泡运动到液体上方再打开，当然最好的办法当然是不去摇可乐瓶啦！
最后问题来了，到底是摇可乐喷汽水呢，还是摇汽水喷可乐呢？
By 勿用
3
Q
早上刷牙的时候发现，牙膏滴在洗漱池的斜面上，牙膏周围形成一个环状的区域，似乎对水产生了排斥力，水无法流进这个区域。请问这是因为表面张力吗？
by noname
A
我们首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。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（如等）。这个名词是不是很耳熟？没错，在之前关于“洗头搓不出泡沫”的问答中已经说过，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洼。
By Major Tom
4
Q
为什么隧道里收不到手机信号呢？
by 匿名
A
手机是用微波通信的，我国手机通信的频率范围在825 MHz~2655 MHz之间（从2G到4G，频率逐渐变高），这对应于的波长大约在0.11 m~0.36 m之间，所以也叫分米波。
微波是电磁波的一种。当微波遇到障碍物时，有两种办法通过，一种是直接穿透，但是微波的能量太低了，穿透性很差；而电磁波有衍射现象，所以，另一种办法是绕过障碍物传播，但是微波的波长比较短，所以绕射的能力也比较弱。到这里，这个问题就好解释了，因为微波不仅无法穿透隧道壁，也无法通过绕射进入到隧道，因此在隧道里面就收不到手机信号了。
另外，不知大家注意到了没有，坐地铁的时候，在地下那么深的隧道信号还能满格。这是因为地铁里面有分布式基站和泄露电缆用于保障通信。
图中红色框框内即为泄露电缆
By 重光
5
Q
为什么红色光和绿色光混在一起可以看到黄色光，而钢琴上的do和mi一起按下去却听不出re来？
by 人类真奇怪
A
这就要从人类的视网膜说起了。人类的视网膜上的有视杆细胞和视锥细胞，其中视锥细胞用于感知强光和负责色觉，视锥细胞有L、M、S型有三种，分别对红色（Long，长波）、绿色（Medium，中波）、蓝色（Short，短波）敏感，见下图：
正是因为有这三种细胞的存在，红、绿、蓝才成了我们人类的三原色，要注意的是，红、绿、蓝之所以是三原色，不是因为物理原因，而是生理原因，比如鸟类有四种感知波长的细胞，如果它也是像人类一样感知色彩的话，那它的原色是四种。
红色光和绿色光混合可以看到黄色光，那是因为这种混合产生的复色光对视锥细胞的刺激和黄色的单色光对视锥细胞的刺激等效，但实际上两者本质上是不同的，只是因为人眼的特性，才使得二者看起来一样。黄色的复色光和黄色的单色光的光谱是不一样的。
钢琴上的do和mi一起按下去却听不出re，那是因为do和mi的音混合后和单纯re的音不等效，人耳是可以分辨出来的。
By 重光
6
Q
请问卫生间里常见的按压开关(就是按压一下出水，过一段时间自动断水那种)是什么原理？还有，为什么有些这样的开关按下不出水，弹起来之后才出水？出水水量又靠什么来控制？(能画张图详细解释最好)
by 饮茶稽
A
根据题者描述，应该指的是按压式自动延时水龙头，其优点是自动断水，防止使用过后忘关，节约用水；同时每次洗手只需要按压一次水龙头即可，避免洗干净手之后再去关水龙头的二次污染；在公共卫生间等人流量较大的地方使用是很好的选择。
由于其构造可能属于商业机密，同时没有拆卸这种水龙头的经验，笔者尽量找到了一张可以部分说明水龙头如何实现按压出水和延时断水两个功能的不那么常见的结构图：
按压出水的实现主要由与9号压杆联动的部件完成，其下压过程中使得2号弹簧压缩，18号挡板左移，同时17号部件下移，水流顺利流出，红线为水流经过路线，水流大小由按压力度大小决定的挡板与17号部件开口的大小来影响。
延时断水主要由2号弹簧完成，当压力卸掉之后，2号弹簧伸展，使得18号挡板右移同时17号部件上移，关闭水流，其延时时长主要由2号弹簧的弹性系数决定。上图只是简单给出可以实现按压出水和延时断水的一种方式，并不是所有的水龙头开关都是这种。
至于为什么有些这样的开关按下不出水，弹起来之后才出水？可能与水龙头实际的结构有关，或者它被熊孩纸玩坏了。。
参考：《节能水龙头设计》
By 勿用
7
Q
冰加热会变成水，水加热会变成水蒸气。金属加热会变成液体，金属液体继续加热会变成金属蒸汽吗？金属分子长什么样，想想是不是很期待呀 ！
by 杨东才
A
金属液体继续加热会变成“金属蒸汽”。本质上讲，物质三态的简单分类只与其组成分子间的间距有关，当分子间距足够大时处于气态，足够小时处于固态，介于两者之间为液态，同时对应于不同的物理特性。由于分子热运动，在非绝对零度的条件下，金属表面总会有极少的原子发生扩散运动。
和水蒸气一样，我们不能宏观直接观察到“金属蒸汽”，只有当其聚集在一起或体现某些作用时，我们才能体会到“金属蒸汽”的确实存在。比如实验中化学气相输运（CVD）实验中含金属元素材料的合成，磁控溅射实验中金属离子的定向传输，汞灯、钠灯等等。
从微观角度角度看金属原子就显得更加直观和有趣了，比如利用球差电子显微镜直接观察原子排列，利用原子力显微镜（AFM）观察或控制单个原子等等。
金属分子长什么样，想想是不是很期待呀！——期待的话，就来学物理吧，少年！
By 勿用