好端端的耳机线为什么老是缠在一起？| No.163_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-07-12 14:36
生活中、想必不少朋友都会遇到线缠在一起的问题，
包括小时候玩的花绳，
妈妈织毛衣的毛线团等等。
当你将本来小心翼翼绕起来的耳机线从裤兜里拿出来的时候，
会发现它也会缠在一起，
这是为什么呢？
1
Q
为什么放在一起的线不知不觉就缠在一起了?
by 小白
A
日常生活中常见的绳子打结现象是：从口袋/书包里面取出来的耳机线缠绕在一起了。这个看起来简单的现象背后有很多科学可以细说。由此发展的“扭结理论”是拓扑学中的一个代表研究问题，从其他的角度比如熵最大原理，统计物理理论，计算机模拟等都可以解释这一问题。
在这里，我们用一种比较直观的过程的方法来解释整个线缠绕的过程。如图所示，长的绳子在一个有限的容器内，为了适应环境，必须以一种卷曲的姿态待在容器里，这代表，绳子的一端会与其他部分平行排放，随着容器的晃动，绳子的末端有充分的机会上下翻滚并与其他部分缠绕在一起，从而形成不同的绳结。
明显地，形成绳结必不可少的两个因素是绳的柔性以及外界施加的微扰，具有柔性的绳在外界微扰作用下会形成绳结。考虑到以上绳结形成的原理，可以通过限制容器的大小，外加线膜使线坚硬不易变形，合理的线缠绕保存方式等防止线的缠绕。当然，如何合理绕线也是编织的一门手艺。
形成的绳结是否容易打开，与绳结的具体缠绕方式有很大的关系，怎么对绳结进行分类，怎么逆向解绳，绳结在物理学或生活中有哪些应用，对这些问题感兴趣的筒子可以来物理所学习哦，当然有兴趣自学的同学可以自行搜索扭结理论（Knot theory）或辫群（Braid group）。这里向大家展示一些扭结理论在生活或实验中应用的现象。
头可断，发型不能乱
（物理所的女孩子可以每天给自己扎一个美美的发型，物理所的男孩子可以每天给女朋友扎一个美美的辫子，物理所的单身狗可以每天，嗯，被扎无数次）
利用辫群对三体问题进行分类
By Nuor
2
Q
用盆接水，离水龙头近，接满水更快，还是离得远的快？
by 匿名
A
不考虑溅射的问题的话，时间是一样的。
在理想的条件下，考虑一个盆A在水龙头边上，另一个盆B在水龙头底下五米的距离，在0s的时候开始出水（假设初始速度为0m/s），0s时第一滴水以速度0m/s的速度滴落到盆A，同等条件下，第一滴水需要走5m，根据加速（g=10m/s2）的计算，需要走1s到达盆B，此时其速度为10m/s。假设60s之后，盆A接满了水，拿走，总共用时60s，61s之后，盆B接满了水，拿走，总共用时60s（61s-1s），因此，无论是无论远近，接水时水装满盆的时间是一样的。
但是，考虑到在接热水时水龙头越高，水下降的速度越快，越容易喷溅，以及人需要先放盆再开水龙头的操作，盆离水龙头近一些比较好。
By Nuor
3
Q
为什么乌云是黑的（很小片的乌云也是黑的）？
by LZB
A
“乌”就是黑的意思，如果云不黑，那它还能叫“乌云”吗（正经脸）？
先解释下云是什么以及是怎么形成的。云是大气层中以水为主，包含其他多种较少量化学物质构成的可见液滴或冰晶集合体（其实雾也符合这个定义，只不过它离地表太近了，不能算是云）。当空气中的水汽含量增加或者周围环境温度降低使得水汽过饱和时，水汽便会聚集在凝结核周围形成小水滴或小冰晶。云中的小水滴和小冰晶因为尺寸比较大，大于入射光的波长，使得散射的光强几乎与入射的波长无关，阳光中各种波长的光都被小冰晶、小水滴散射而使云朵呈现白色。当然，这是在云层比较薄的时候。当云层很厚的时候，阳光大部分被吸收，无法穿透云层，这就是乌云了。
仔细观察可以发现，乌云的底部比较黑，而云层比较薄的边缘因为阳光可以透过则显得比较白，如果你此时坐飞机在乌云上空飞过，你会发现下面的“乌云”是白的。至于很小片的乌云为什么也是黑的，这是因为乌云的“黑”也与周围环境有关。比如，在高空有云作为背景挡住了部分阳光，那么低空的小片云朵即使比较薄，那也显得比较黑；再比如，当天空的背景比较明亮时，小片云朵在明亮的背景的衬托下，也显得比较黑。
By 重光
4
Q
见过老人(做豆腐)用嘴一吸水水就一直流啊流，这是为什么？听老师说这是虹吸现象？
by 匿名
A
虽然没脑补出你说的这个画面，但是你老师说的没错，就是虹吸现象。虹吸现象是在管内液体重力与大气压的共同作用下，由于两液面间存在高度差造成的现象，如下图。
因为h1 < h2，所以根据帕斯卡定律P=ρgh，装置中左管中的液体压强ρgh1小于右管的液体压强ρgh2（压强方向向下）。另外，在B点跟C点分别有大气压的作用（方向朝上），可以认为两者的大气压相等即P1 = P2 = P。B点压强PB = P - ρgh1，C点压强PC = P - ρgh2，所以在A左端的压强就大于A右端的的压强，在大气压和液体压强的共同作用下，水朝液面低处方向移动，液面高度差越大流速越快。
但当ρgh1 ≥ P，虹吸现象就会消失。此时管子中的水就会以A点为界线，左端往左流，右端往右流，中间形成一段真空层。对水来说，这个临界的高度值为10.3米，所以生活中一般观察不到这种情况。
前面提到必须需要先用嘴吸一下，这是因为如果不用嘴吸一下管子两端的压强就是平衡的，不会自动向另一个烧杯流去。
参考资料：虹吸现象
By 煦天
5
Q
为什么金属会有味道？
by 520
A
金属其实是没味道的。人闻到气味，首先需要气味分子进入到鼻腔，但是金属（除了汞）在常温下是固体，和气体、液体相比，金属原子难以脱离金属表面进入鼻腔，因此直接闻金属是闻不到气味的。那为什么金属又有气味呢？比如说铜臭味。这其实不是金属本身的气味，是你自己的味道。当人的皮肤和铁接触时，汗液会将单质铁氧化成二价铁，而二价铁会将皮肤上的脂质过氧化物还原成一种羰基化合物——1-辛烯-3-酮（1-octen-3-one），这种物质就是我们平时闻到金属味的来源。
1-辛烯-3-酮（1-octen-3-one）
1-辛烯-3-酮广泛存在于蘑菇中，所以也有人说金属闻起来有一股蘑菇味。血液闻起来也有金属味，这是因为血液中已经含有二价铁，可以直接将脂质过氧化物还原。除了铁，铜也会发生类似的反应，但是氧化铝、镁、镍和人手摩擦就几乎不会有这种羰基化合物产生。铁合金和铜合金是生活中最常见的两种金属材料，所以经常能闻到“金属味”也不奇怪了。
参考：Glindemann D, Dietrich A, Staerk H J, et al. The two odors of iron when touched or pickled:(skin) carbonyl compounds and organophosphines[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2006, 45(42): 7006-7009.
By 重光
6
Q
所谓氮气加速是什么原理？
by 杨
A
想必玩过“极品飞车”和“极速凌云”之类赛车游戏的小伙伴都体验过氮气加速的过程，那么氮气加速的原理是什么呢？
而想弄清楚这一点，必须先了解汽车发动机的原理（已经了解的小伙伴可以跳过这一段），如图一所示，常见的四冲程发动机原理如下：进气冲程过程中，曲轴旋转引起活塞向下移动，同时进气门开启，混合气体进入气缸；随后进气门关闭，随着曲轴的继续旋转，活塞向上运动使气缸内气体压缩；压缩的混合气体被火花塞点燃后开始燃烧，放出大量气体，气体体积急速膨胀，使活塞下移，引起曲轴快速旋转，连动汽车向前行驶，最后排出废气。如此循环，使得汽车连续向前行驶。
图一 汽车发动机工作原理
图二 发动机原理动图
汽车行驶的快慢直接取决于曲轴的旋转速率，取决于做功冲程过程中，混合气体相对燃烧前所释放的压力大小，燃烧产生的气体越多或燃烧的越充分都有助于汽车提速。现有的机械增压和涡轮增压都是为了增加单个冲程内进入气缸的混和气体进气量，从而燃烧时放出更多的气体，对于活塞的压力更大，使得曲轴旋转更快，对汽车进行提速。
那么氮气加速呢，难道是向气缸中充入氮气吗？显然不是，氮气加速全称为氮氧加速系统（Nitrous Oxide SYSTEM,简称NOS），加速过程中利用的气体并不是氮气，而是氮的一氧化物(N2O)，俗称笑气，由于其具有轻微麻醉作用，并能致人发笑的特性而命名。笑气在高温下能够分解为一倍氮气和0.5倍的氧气，装有氮氧加速系统的赛车，向发动机内注入笑气，高温下分解，增加了氧含量，使得发动机内的一些不参与燃烧反应的燃料充分燃烧，放出更多的气体，从而使汽车提速。
参考：氮氧加速系统
By 勿用
7
Q
为什么水珠沾到手机屏幕上不会折射出彩色光，而抹一下让水珠变得很小会在屏幕上出现彩色光？
by 盐析
A
为什么水珠沾到手机屏幕上不会折射出彩色光，而抹一下就会在屏幕上观察到彩色光呢？这是因为水珠折射产生彩色光和屏幕上的水膜产生彩色条纹的原理是不同的，分属于两个不同的光学现象。
水珠折射产生彩色条纹是由于光的色散，这是下雨天出现彩虹的原因；而屏幕上的水珠抹匀厚在屏幕上观察到的彩色条纹的原理则主要是薄膜干涉。彩虹作为问答专栏的老面孔，有很多关于彩虹的讨论呢，下雨天出现彩虹的原理可以参考往期问答：No.119 A8 为什么彩虹没有圆形的？No.74 A5 南边不会出现彩虹吗？No.48 A2； No.18 A3； No.19 A1。
下面简要解释一下薄膜干涉的原理。如图所示，由于透明薄膜上下两处界面都出现折射率的变化，在两处界面均发生反射现象，经上表面和下表面反射的光线进入人眼会有一段光程差，由于这两束光产生于同一光源，满足相干条件，能够发生干涉。
由于薄膜的厚度差异，根据相对应半波长的偶数或奇数倍产生明暗相间的条纹，同时由于不同波长对应的折射率不同，导致不同波长对应的亮条纹的薄膜厚度不相同，颜色在空间上分离，形成彩色条纹。薄膜干涉可以解释类似的水面彩色油膜以及彩色肥皂泡泡的现象。
By 勿用
8
Q
有什么办法使光降速吗？
by 林子
A
根据狭义相对论，惯性系中的光速恒定。但是在不同的介质中，光的实际相速度会比真空速度慢，通过c与相速度之间的比率来量化速度的降低，其比值就是材料的折射率。
真空中的光速
介质中的光速
对于给定的材料，其折射率是不是常数，取决于温度，压力和（正弦）光波的频率。时间相关的正弦干扰幅度以群速度传播，其群速度不仅仅与折射率有关，还与折射率随频率变换方式有关。群速与相速不同时，会有色散现象出现。慢光是指具有非常低群速度的光。
因此，为了使光“降速”，一是可以考虑使用较高折射率的介质，另一方面可以调频折射率即快速改变其频率来降低群速，可以利用相干粒子振荡（CPO），四波混频（FWM）等方法产生。
By Nuor
