为什么骑自行车轮胎没气时会更费力？| No.159_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-06-14 12:01
原创：中科院物理所
想必不少人都有过骑自行车的经历，轮胎没气的自行车骑起来可费力了！
这不，问答专栏的小伙伴和这个问题杠上了，浪费了不少脑细胞，哎！
小编也是醉了，既然骑着很费力，举着不就好了吗？
（安静的吃手手）
1
Q
为什么刚刚洗完澡身体尚未擦干时穿衣服，衣服会“粘”在身上?
by 春江潮水
A
干的衣服由于面料本身的可折叠性，与干的皮肤接触时由于接触面凹凸不平，其之间一般不会有力的作用（不考虑冬天干燥环境下的静电作用。）当皮肤上有水时穿衣服，由于水的浸润作用，水将附着到衣服的表面和内部，将衣服之间的缝隙填满，水分子和皮肤和衣服之间的距离非常小，由于水的表面张力作用，水会跟其接触的衣服和皮肤都有吸引力，宏观上来看就是：衣服“粘”在了身上。
By Nuor
2
Q
灯为什么会亮？
by 学佳
A
电灯主要有白炽灯、荧光灯和LED。
白炽灯的发光原理是热辐射发光。在白炽灯中，通电的钨丝，温度高达2000多摄氏度。其中的电子、原子和分子都在剧烈地运动着，有一部分处于不稳定的高能状态，电子、原子或分子在高能态跃迁到低能态时，可能以辐射光子的形式把多余的能量释放出来。
荧光灯又称日光灯，看上去是一根白色的管子，两端各有一根灯丝，灯管内充有微量的氩气和稀薄的汞蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉。接通电源后，在启辉器的配合下，镇流器产生超高电压，使灯管的阴极发射出电子。这些电子在灯管内以极高的速度向另一端运动，途中撞击到氩分子放出更多的电子，大量的电子碰撞汞蒸气分子，使其跃至较高的能量状态。当这些分子从高能量状态返回到正常能量状态时会发出紫外线，照射到荧光粉上使其发出可见光。
LED是发光二极管（Light Emitting Diode） 的缩写。LED的核心部分是由p型和n型半导体组成的芯片。p型半导体里面空穴占主导地位，n型半导体中主要是电子主导。在p型和n型半导体之间有一个过渡层，称为pn结。当电路接通时，电子和空穴在电势的作用下发生复合，放出光子从而发光。LED比传统的白炽灯、荧光灯更加节能并且寿命更长，是未来的主流光源。
By 煦天
3
Q
问前辈，怒发冲冠可能吗？毕竟头发特别是长发那么软力该咋分析呢？历史书里的怒发冲冠貌似不少。而且为什么非要生气头发才能立起来。用静电立起的头发能支撑起帽子吗？
by 弦风
A
当人异常愤怒、开心、激动、恐慌的时候，肾上腺激素大量分泌，头皮的立毛肌会马上收缩，使得毛发直立，但是由于头发的柔软性，所以，帽子可能会向上冲，额，大概0.3cm？当然，作为一个合格的物理爱好者，每当你解不出物理题的时候，双手就会控制不住地去摸范德格拉夫起电机（就是静电球），假设你醉心科研多年没洗头且头秃得只有两根钢铁硬的头发（当然还是导体），你的帽子是完美的绝缘体不导电且完美在头发上保持平衡，重量为100g，你的头发长度为10cm，为了方便计算，再次假设你在真空中，电子为了能够使帽子“冲”起来，自发聚集到头发的两侧，而两根头发以头顶为中心呈对称分布（忽略头发自身的重力），此时，利用库伦定律：
，
得出要想使冠“冲”起来，Q大概为：10-5的量级，考虑到电流的换算，除以时间，为不到0.1mA的电流，嗯，属于安全接触电流范围内，没问题。当然，作为一个勤劳干净爱卫生不秃头不生气不在真空中工作的科研工作者，除非风太大，帽子一般都好好的。
By Nuor
4
Q
为什么手机相机镜头那么小，可以拍到那么大的范围？
by 学佳
A
在光学仪器中，以镜头的中心为顶点，可通过镜头有效成像的最大范围的角度，称为视场角。视场角越大，视野范围就越广，示意图如下。
视场角
如下图，其中u为物距，v为像距，f为焦距。对于A点当光线通过透镜C点和O点的像叠在一起时可以清晰成像。不难想象焦距f变大时，A’点将后移，此时成的像更大，但对于相同尺寸的成像元件来说其视场角变小。
因此，镜头的焦距越短，视场角越大，但同时得到的像越小。比如，对于焦距为135毫米的镜头，它的视场角很小，只有29°，因此只能拍下景物的一小部分，但在底片上的成像则很大，能清晰地显现景物的细部。因此，长焦距镜头能像望远镜一样，拍清远处的人或景物。镜头焦距为50毫米，称“标准镜”，它的视场角有47°，成像大小适中。焦距为35毫米的镜头，它的视场角更大，有64°，但成像较小。
现在一般手机镜头的等效焦距在30mm左右，而某些手机的超广角镜头可以低于16mm。所以手机镜头虽然很小，但拍摄范围可以很大。
Ps:手机的实际焦距只有几毫米。由于视场角的大小与感光元件尺寸有关，大家习惯于将不同尺寸感光元件上成像的视角，转化为135相机上同样成像视角所对应的镜头焦距，这个转化后的焦距就是等效焦距。简单的说就是以135相机作为一种标准，把非135规格相机的焦距折算成135相机的焦距,这样让人比较容易理解。大家如果感兴趣可以进一步查找相关信息。
By 煦天
5
Q
磁悬浮列车是怎么动起来的呀？
by 物理小新～
A
磁悬浮列车是利用直线同步电动机的原理进行驱动的，其依靠的基本物理原理是法拉第电磁感应定律。法拉第电磁感应定律可以简单理解为当穿过导体的磁通量发生变化时，导体上会产生电动势。
具体来说，直线同步电机是将线圈铺设在轨道上，并通入一个三相交流电，使轨道与列车车体之间的空隙中产生变化的磁场，使安装在列车上的导体由于电磁感应定律产生电流，从而会产生一个与原有磁场相反的磁场，最终在轨道与列车之间产生了动力。
简单来说就是列车行驶时，车头处的N级磁场被轨道上车头前端的S级吸引，同时被S级后端的N级排斥，从而产生了推力；然后轨道断电磁场消失，列车以惯性前进；而后轨道通入与之前相反的电流，产生与刚才相反的磁场，使车头前段N级受到排斥，后端的S级受到吸引。从而实现了列车的连续驱动。
By Rimuru
6
Q
我是一名初三学生，请问既然滑动摩擦力大小和接触面积无关，为什么骑自行车的时候轮胎没气会骑的更加费力呢？
by 祁梦
A
因为阻碍车轮转动的阻力力矩增加了。首先，车子前行与滑动摩擦没有什么关系，是静摩擦力使车前行。不过，整体可以看做车轮与地面的滚动摩擦。
我们先从静止的车轮讲起，此时车胎内气压均匀，但由于接触面积的不同导致支持力的分布如图：
各点支持力的合力通过轮轴与重力大小相等、方向相反，没有引入力矩。当主动轮开始滚动时，由于动力矩的存在，导致轮胎左右两侧支持力分布不均衡。这时支持力的合力就不通过车轴了，而是会引入一个力矩，如下图。支持力的力矩阻碍车轮的转动。
当轮胎没气时，车胎内气压变小，接触距离面积变大，接触距离变长。支持力合力的力臂变长了，导致阻碍力矩变大，因此骑着更加费力了，示意图如下。
公式： 【F=P·S（力=压强·面积）】
【M=L x F（力矩=力臂×力）】
By 煦天
7
Q
为什么粉笔大多数时候掉到地上总是会摔成两半呢？
by 匿名
A
“粉笔掉在地上，摔成两半”的问题和“弯曲意大利面时很难得到两段”的问题有异曲同工之妙。悉尼大学的Rod Cross教授在2015年结合实验给出了粉笔摔在地上断裂成几段的解释。
首先他选用长度为78mm，直径为11mm的粉笔，利用高速摄影机发现了粉笔从不同高度摔落在地上的不同现象：在低于30厘米的高处落下，粉笔一般不会摔断；在高度为30厘米到40厘米的高处落下，粉笔一般从中间断为两截；在40厘米以上的高出落下一般断为不相等的三截；在高于50厘米的高度落下，偶尔会断为不相等的四截。如图所示：
在粉笔下落的过程中，粉笔的一端先触及地面，竖直向上反弹，地面对粉笔突然施加一个力矩。如果其速度足够大，地面对粉笔施加的力矩会使得粉笔直接断裂为两段，断裂位置一般在接近中心位置的缺陷处。如果其速度尚且不够大，不能够直接断裂，在粉笔一端触及地面时，其两端的速度大小相同，后落地的一端在突然施加的力矩作用下在落地时会得到比先落地一端更大的速度，这个速度如果足够大也会使得粉笔断裂，这便是粉笔断为两段的情景。
每次碰撞会伴随一定的能量损耗，粉笔在较低的高度落下时，就会多次在地面反弹而不发生断裂；如果粉笔在较高处落下，其首先断裂为两段，然后未触及地面的一段在下落速度足够大时很可能断裂为两段，这是断裂为三段的情况；如果其首先断裂的一段速度也足够大，当其另一端触及地面时也可能发生断裂，这是断裂为四段的情况。如图所示：
综上，特定长度的粉笔落地断裂的段数与落地高度直接相关，同时其断裂的方向以及位置与粉笔的内在缺陷分布，粉笔落地的倾角也直接相关。
至于题者遇到的经常摔成两半，首先由于场景限制，高度一般不会发生变化，其断裂的段数对于特定的高度应该是固定的，这也是其经常观察到摔为两段的原因。同时上文提到的具体高度与粉笔材质以及缺陷数量有很大关系，对于具体的粉笔其对应断裂高度很有可能不同。
参考：The Physics Teacher 53, 13 (2015)
By 勿用
