“媽媽你看！”

哇！這是怎么做到的？

問答導(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 視頻中那個積木的“獨(dú)木支撐”是什么原理？

Q1 初中老師講的是：一個物體位置改變，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：

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

我們考慮一個簡單的平面模型，在一個方形瓶子（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，此時重心的位置 為水的幾何中心 。將水瓶傾斜一定角度 后，如圖b，此時水面仍然是個平面，我們需要確定此時水的重心的位置（注意，b圖這個角度并不代表水瓶可以在這個角度立在地上平衡，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。這個時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中我們可以把整個水分割成A、B兩部分，A為一個直角三角形，B為一個矩形。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，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。

回到原問題，考慮瓶身的重力，對于一個未裝滿的水瓶，當(dāng)它傾斜時，由于瓶身本身的重心沒有改變，而瓶內(nèi)水的重心改變了，所以整個水瓶的重心也會改變。

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)，由外層防水無紡布、中層熔噴布、內(nèi)層親膚無紡布組成，能夠有效阻隔飛沫、顆粒物和細(xì)菌。

外層采用疏水性無紡布作為防水層，表面經(jīng)過防水處理，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濾層，通過靜電吸附原理增強(qiáng)過濾效果，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)用口罩中熔噴布過濾效果在95%以上。

內(nèi)層親膚無紡布作為吸濕層，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 紫外線是如何對塑料材質(zhì)產(chǎn)生損傷的,為何塑料材質(zhì)接觸紫外線會黃化，開裂，脆化，粉化？

by 匿名

答：

這些現(xiàn)象涉及到紫外線對有機(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)生成過氧化物自由基（ROOH），這些過氧化物自由基會“奪取”鏈中的氫，導(dǎo)致聚合物鏈斷裂和交聯(lián)，且這個過程是不可逆的。

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，更易吸收短波長光，肉眼看來就“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。

總的來說，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.光照對微塑料老化的影響過程和機(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：

這個問題的關(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號锝和61號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，放射性元素是一個特定的標(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)來穩(wěn)定平衡的，主要玩法就是通過嘗試改變放置位置，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)看起來會掉下來，其實(shí)在小鳥的內(nèi)部有一個隱藏的配重塊(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，小鳥會輕微擺動，直到它的重心移動到手指支撐點(diǎn)的正下方，這時重力的作用線通過支撐點(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）。這種模糊感并非來源于相機(jī)算法或者觀測偏差，而是一場由流體力學(xué)、熱力學(xué)相變和動力學(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后會產(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)向相對穩(wěn)定，風(fēng)速較強(qiáng)，且風(fēng)向大致垂直于山脈走向時，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，形成靜止不動的透鏡狀云。

莢狀云的成因

根據(jù)中國天氣網(wǎng)的報道，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)三級左右，陣風(fēng)六級左右，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力源。

那么為什么云的邊界會模糊呢？要明確一個概念：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，它需要一個相變弛豫時間τ。在六級強(qiáng)風(fēng)的驅(qū)動下，即便相變過程只需幾秒，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解釋這個問題。在晴轉(zhuǎn)多云的穩(wěn)定大氣中，高空濕度場 是一個連續(xù)變化的標(biāo)量場。濕度在空間上的分布可以用一個線性近似來表示： β ?？諝庵械哪Y(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%時就開始吸水長大，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)過程并不是在 為100%處瞬時發(fā)生，而是在一個以 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)該是一個階躍函數(shù) 。實(shí)際上，每一個點(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，觀測到的云邊緣亮度分布 是理想階躍信號與高斯核的卷積:

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域空間的復(fù)雜信號。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變白，是因?yàn)?strong>原本松散的蛋白質(zhì)受熱后會相互纏繞，形成固態(tài)的凝膠網(wǎng)絡(luò)，將周圍水分包裹其中。當(dāng)光線穿過煮熟的雞蛋時，大部分可見光會被這種凝膠網(wǎng)絡(luò)散射回來，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)在熱變性過程中的過度聚集，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)對光線的散射作用會大幅減弱，因此鴿子蛋煮熟后會顯得更透明。不過，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、雞蛋的儲存條件等外部因素，都會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：

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

首先我們先來看上面這個規(guī)則的階梯狀結(jié)構(gòu)，且不妨從受力最為簡單的一段開始分析。圖一示意了最頂端的幾個積木塊。我們都知道，一個剛性物體想保持靜止，需要滿足兩個基本條件：其一是受力平衡，這一點(diǎn)保證其不會發(fā)生質(zhì)心的位移；其二是力矩平衡，這一點(diǎn)保證其不會發(fā)生轉(zhuǎn)動。對于最頂端的綠色和藍(lán)色積木塊，其受力是最簡單的，只需要下方的灰色塊分別對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

但是對于灰色塊，事情似乎變得復(fù)雜一些，一方面它受到了來自綠色和藍(lán)色方塊的壓力，這是對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，但是力臂長度明顯綠色的更大。不平衡了！等等，如果來自橙色塊的支持力不通過灰色塊的質(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)三個塊對于橙色塊而言可以看作一個整體，橙色塊給上方的支持力通過三個塊整體的質(zhì)心即可，而這個質(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，其原因很簡單：上方結(jié)構(gòu)（簡化為一個平行四邊形示意）整體受到的重力的延長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。說到這里，粉色塊似乎想說：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

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編輯：涼漸&4925