不兒兄弟

同樣是射箭

為什么你的箭能拐彎

問答導(dǎo)航
Q1 為什么冬至不是一年里最冷的一天，夏至不是最熱的一天？
Q2 為什么用手機(jī)配夜空中間總有一團(tuán)白？
Q3 水銀為什么會吞金？吞了還能吐出來嗎？
Q4 為什么金色不能用RGB表達(dá)？
Q5 皮蛋是怎么制作的？
Q6 辣椒的辣和姜的一樣嗎？
Q7 電熱水壺的水位線怎么得到的？
Q8 咬掉一側(cè)箭羽可以射出轉(zhuǎn)彎的箭嗎？

Q1 冬至是一年中北半球距離太陽最遠(yuǎn)的一天，但為何這一天不是一年中最冷的一天？同理夏至為什么不是最熱的一天？

by IOOIZIO

答：

首先需要糾正一下地理知識，冬至這天并不是地球距離太陽最遠(yuǎn)的一天。相反，北半球夏天的時(shí)候反而離太陽更遠(yuǎn)。所以與太陽的距離并不是決定冬至是不是最冷的關(guān)鍵，要看積溫。

地球繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)間點(diǎn)示意圖 | 圖源：網(wǎng)絡(luò)

地球的氣溫由太陽輻射進(jìn)地球的能量和地球散失的能量共同決定。冬至這天北半球接收太陽的輻射能量固然最少，小于地球這天散失的能量。但之后的一段時(shí)間內(nèi)，雖然太陽直射點(diǎn)北移使得北半球白天照射時(shí)間增加，進(jìn)入地球的能量增多，可是北半球每天接收的能量仍然小于散失的能量，所以整體的熱量入不敷出，氣溫還會繼續(xù)下降。直至每天接收的能量能夠與散失的能量持平，此時(shí)的氣溫就達(dá)到了最冷，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)差不多就處在我們熟知的“三九天”。

同理，夏至也不是一年中最熱的一天。夏至之后日變短，夜變長，北半球雖然每天接收的能量逐步減少，但是仍大于每天散失的能量，熱量不斷積累，北半球的氣溫不斷上升。直至每天接收的能量能夠與散失的能量持平，此時(shí)的氣溫就達(dá)到了最熱，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)差不多就處在我們熟知的“三伏天”。

by endlesscliff

Q.E.D.
Q2 用手機(jī)拍夜空，為何中間總是有一團(tuán)明亮的白色，白天卻沒有？

by 匿名

答：

這其實(shí)是一個(gè)在手機(jī)夜景攝影中非常常見的現(xiàn)象。從光學(xué)角度看，畫面中心對應(yīng)鏡頭的光軸，光線幾乎是直著射入傳感器的，損失最小；而越靠近畫面邊緣，光線進(jìn)入的角度就越斜，在鏡頭內(nèi)部走的路徑也更長，更容易被鏡筒等結(jié)構(gòu)擋掉一部分。結(jié)果就是，傳感器中心能接收到更多光子，而四周天然就更“吃虧”，形成一種中間亮、邊緣暗的分布，這在光學(xué)上被稱為漸暈。

那為什么白天拍照時(shí)幾乎感覺不到這種問題？其實(shí)白天的照片同樣存在暗角，只是因?yàn)楣饩€非常充足，手機(jī)在后臺會自動(dòng)把畫面四周提亮進(jìn)行校正。白天信號強(qiáng)、噪聲低，這樣做幾乎沒有代價(jià)，人眼也很難察覺。

到了夜晚，情況就完全不同了。夜空本身就很暗，畫面中的亮度多半來自城市燈光在空氣中的散射。中心區(qū)域還能勉強(qiáng)積累到這些微弱的背景光，而邊緣區(qū)域因?yàn)楣鈱W(xué)漸暈，本就接近“信號不足”的狀態(tài)。如果算法強(qiáng)行把邊緣拉亮，噪點(diǎn)就會迅速冒出來。為了讓照片整體看起來更干凈，算法往往選擇保留中心亮度，同時(shí)壓暗四周，于是中間那團(tuán)泛白就顯得格外明顯。

簡單說，這是物理光學(xué)限制和夜景算法取舍共同造成的結(jié)果。在空氣更通透、光污染更低的環(huán)境拍攝，這種現(xiàn)象通常會明顯減輕。

參考資料：

1. Nakamura, J. (2006). Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras. CRC Press.

by 檸七

Q.E.D.
Q3 水銀為什么會吞金？被水銀吞了的金子還能分離嗎？如果能怎么分離？

by 窩腰鹽π

答：

當(dāng)我們把水銀滴到金箔上，會發(fā)現(xiàn)金箔慢慢被水銀”吃進(jìn)去”，最后變成一個(gè)銀色的小球（這說明什么，做汞實(shí)驗(yàn)的時(shí)候不要帶金首飾?。。?。其實(shí)幾乎所有的金屬都可以與汞結(jié)合，并在一個(gè)被稱為“汞齊化”的過程中形成合金。人們將這種合金稱為“汞齊”。而像汞與金化合所形成的合金就叫做“金汞齊”。

但是不要過度擔(dān)心，金的汞齊化過程被用于工業(yè)規(guī)模上金的精煉和提純，所以還是能分離的。而且古代煉金術(shù)就是用汞來煉金的，可以利用加熱或者化學(xué)處理(比如濃硝酸)來分離汞。濃硝酸不與金反應(yīng)，可以將汞溶解其中，但是在反應(yīng)過程中會生成二氧化氮?dú)怏w，呈明顯的黃色，這也是有毒的。

比如以前的鐵器鍍金，就是先把黃金溶于汞，得到糊狀的金汞合金(這是里面還有游離的汞，沒全部形成汞齊)，把這些漿糊涂在器物表面再加熱就能使汞揮發(fā)，使得黃金與金屬表面固結(jié)，最終呈現(xiàn)出光亮的金黃色鍍層。這種方法也被稱為“火法鍍金”。

而在我國古代，也曾出現(xiàn)過利用水銀來煉金的方法。他們先將含金的礦石挑揀出來碾碎、研磨成礦石粉，接著用水把碎石與金砂分離，完成淘金的過程，隨后加入水銀反應(yīng)，并用火燒除雜質(zhì)回收水銀，在回收的水銀中再加入數(shù)倍的銀，金就被置換出來了，最終通過加熱至1300℃變成純金溶液，倒入金模便可制成純金的金條了。

但是需要注意汞蒸氣是有毒的，千萬不要在家做哦。

參考資料：

1. 曹靜樓.傳統(tǒng)的“鎏金”工藝[C]//文物保護(hù)技術(shù)（1981～1991）.[出版者不詳],2010:242-248.

2. 莫祖榮,徐志,黃超,等.千足金首飾變白現(xiàn)象探討[J].寶石和寶石學(xué)雜志,2010,12(02):41-42+60.

by 藍(lán)多多

Q.E.D.
Q4 為什么金色不能用RGB表達(dá)呢？

by man

答：

首先我們對這個(gè)問題進(jìn)行更準(zhǔn)確的定義：單純的金黃色是可以用RGB表達(dá)的，但RGB無法表達(dá)出來我們生活中常見金色的“質(zhì)感“，也就是金屬感。

RGB（紅、綠、藍(lán)）是一個(gè)混色模型。它定義的是彩色空間中的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)你輸入(255, 215, 0)時(shí)，你會得到金反射光線中最主流的顏色。它看起來偏黃偏暖偏褐，但更像黃色油漆而不是金屬的金色。

金色的金屬感是從何而來的呢？來源于金屬表面對光的反射機(jī)制。生活中常見的物體例如紙張等會讓光線在表面發(fā)生漫反射，將光反射到四面八方，因此看起來相對溫和。而金屬物體表面會更多地發(fā)生鏡面反射，表現(xiàn)出極強(qiáng)的定向反射特性，因此往往伴隨著很強(qiáng)的高光感。金色之所以看起來“閃瞎眼”，是因?yàn)樗牧炼确秶缍葮O大。真正的黃金在直射光下產(chǎn)生的高光亮度，往往比周圍環(huán)境高出幾個(gè)數(shù)量級。而傳統(tǒng)的 RGB 顯示器的對比度極其有限，它無法模擬出那種足以引起生理性眩光的物理亮度，只能用類似的黃色來“敷衍”。

從凝聚態(tài)物理的角度看，金色的本質(zhì)源于金原子的自由電子氣。金屬的內(nèi)部自由電子密度較高（這也是金屬導(dǎo)電性好的原因之一），根據(jù)德魯?shù)拢―rude）模型，金屬內(nèi)部的自由電子在光也就是電磁波的作用下會發(fā)生集體振蕩，因此對光的反射率較高。金對藍(lán)紫光的吸收較強(qiáng)，而對黃光的反射率極高，因此形成了我們常看見的高光“土豪金”。

既然單一的RGB表達(dá)不了金色，為什么我們在電腦屏幕上還能看到“金色”的物體呢？

這涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的物理渲染技術(shù)。在建模過程中，我們往往首先設(shè)定一種暗黃色的基礎(chǔ)色，通過調(diào)整粗糙度和環(huán)境貼圖等參數(shù)讓物體去反射周圍的圖像。我們在屏幕上看到的金色，其實(shí)是一系列不同強(qiáng)度的黃色RGB像素點(diǎn)組成的明暗和對比度變化來對現(xiàn)實(shí)中的金屬質(zhì)感進(jìn)行模仿。

by 單身男青年

Q.E.D.
Q5 皮蛋是怎么制作的？古人是怎么想到使用這種方法來制作皮蛋的？

by 匿名

答：

皮蛋的傳統(tǒng)制作方法一般是使用生石灰、純堿、食鹽、草木灰等材料加水混合形成石灰泥，在鴨蛋表面裹上石灰泥再裹上一層稻草，放入密閉容器中避光靜置一個(gè)月以上，取出后在通風(fēng)環(huán)境里再靜置數(shù)日即可得到成品。

皮蛋制作過程中使用到的石灰泥（左）和稻草（右）| 圖源：網(wǎng)絡(luò)

由于石灰泥提供了強(qiáng)堿環(huán)境，在鴨蛋密閉靜置期間，其會使鴨蛋中原有的蛋白質(zhì)變性，進(jìn)而形成深色凝膠狀物質(zhì)。蛋黃中的鐵離子會和蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的硫化物化合生成硫化亞鐵，所以皮蛋的蛋黃會呈現(xiàn)灰綠色。蛋白表面有時(shí)能看到雪花狀晶體，這是石灰泥中鹽析出后產(chǎn)生的結(jié)晶。

關(guān)于古人是如何想到制作的皮蛋這個(gè)問題，目前說法很多，但更多是傾向于古人為了保存過剩的鴨蛋，使用身邊常見的草木灰、石灰、泥土等材料對鴨蛋進(jìn)行封存，然后偶然發(fā)現(xiàn)“變質(zhì)”后的鴨蛋居然還有不錯(cuò)的風(fēng)味，于是開始回溯整個(gè)過程，進(jìn)而將制作的配方廣為流傳?，F(xiàn)在工業(yè)上大都直接將鴨蛋浸泡在堿液里來制作皮蛋，這樣時(shí)間周期短，也容易控制成品的質(zhì)量。

參考資料：

by Eric

Q.E.D.
Q6 辣椒的辣和姜的辣一樣嗎？

by 293

答：

先說結(jié)論：完全不一樣。

正如往期專欄中科普過的，辣本質(zhì)上不是味覺，而是一種由化學(xué)物質(zhì)引發(fā)的“痛覺”和“熱覺”。辣椒的主力軍是辣椒素，它極其“兇猛”，專門靶向并死死結(jié)合口腔中的TRPV1受體（負(fù)責(zé)感受約43℃以上高溫和痛覺）。因此，辣椒帶來的往往是直擊靈魂、尖銳且強(qiáng)烈的火燒火燎感。

相比之下，姜的辣味就顯得“溫婉”且富有層次多了。生姜的辣味主要源于姜辣素。當(dāng)姜辣素接觸口腔時(shí)，它也會激活TRPV1，但結(jié)合能力比辣椒素弱得多，所以刺痛感不強(qiáng)。同時(shí)，它還會激活TRPA1受體（這也是感受芥末、大蒜辛辣感的受體），從而帶來一種帶有特殊芳香、向四周發(fā)散的溫?zé)岣?/strong>。

更有趣的是，姜的“化學(xué)武器”是會進(jìn)化的！如果你把生姜曬干變成干姜，或者拿去熬熱姜湯，生姜中的姜辣素就會在脫水和加熱的作用下，轉(zhuǎn)化為姜烯酚。姜烯酚的辣度幾乎是姜辣素的兩倍，并且對熱覺受體的刺激更強(qiáng)烈。這就完美解釋了為什么俗話說“姜還是老的辣”，以及為什么熬煮過的濃姜湯喝下去，會有一股從口腔順著食道一路暖到胃里、讓人微微發(fā)汗的辛熱感。而如果在紅燒肉里長時(shí)間高溫?zé)踔螅@些辛辣物質(zhì)又會進(jìn)一步降解成姜酮，此時(shí)辣味會大幅降低，反而會散發(fā)出一絲類似肉桂的甜香。

簡單來說，辣椒的辣是舌尖上的“狂轟濫炸”，而姜的辣則是游走于臟腑間的“溫?zé)岱蟆薄?/p>

參考資料：

1. McGee, H. (2004). On Food and Cooking: The Science and Lore of the Kitchen. Scribner.

by 檸七

Q.E.D.
Q7 電熱水壺里的最高/最低水位線是怎么得到的？

by M.W

答：

電熱水壺的加熱部位位于壺底，通電時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為熱能給壺中水加熱。如果壺中水量太少，首先可能導(dǎo)致干燒，會損壞加熱盤、溫控器等零件。其次，電熱水壺?cái)嚯娛且揽克魵獾臒崃渴篃崦艚饘倨冃螐亩鴶嚅_開關(guān)，若水量太少則無法讓熱敏金屬片準(zhǔn)確感應(yīng)到水蒸氣從而導(dǎo)致斷電延遲，進(jìn)而可能引發(fā)危險(xiǎn)。目前市面上常見的電熱水壺容量在1.8L上下，而最低水位線一般會設(shè)置為500ml，基本就可以避免上述問題的發(fā)生。

最高水位線的設(shè)置相對較好理解，由于水燒開后劇烈沸騰，產(chǎn)生大量氣泡，若壺內(nèi)水量過多，則水會從壺中溢出造成危險(xiǎn)，所以一般要留出10-20%的空間。此外，如果壺內(nèi)水太滿，在燒開時(shí)會有大量高溫液態(tài)水直接濺射到壺蓋上，可能會對壺蓋內(nèi)的溫控組件造成影響。所以容量在1.8L左右的電熱水壺，一般最高水位線會設(shè)置為1.5L。

by Eric

Q.E.D.
Q8 咬掉一側(cè)的箭羽，可以讓射出的箭轉(zhuǎn)彎嗎？其中的原理是什么？

by 付小狗

答：

問題視頻來源網(wǎng)絡(luò)

感謝這位同學(xué)的提問！這個(gè)問題看似來自影視橋段，但背后其實(shí)涉及一個(gè)非常有趣的空氣動(dòng)力學(xué)問題：飛行物體的穩(wěn)定性與擾動(dòng)響應(yīng)。我們今天就來探討一下，咬掉箭羽，箭到底會不會拐彎。

答案很明確：咬掉一側(cè)箭羽不僅不能讓箭優(yōu)雅地繞彎，反而會讓它飛得又歪又短，甚至原地翻滾。要回答這個(gè)問題，我們首先來搞清楚箭羽的作用。很多人以為箭羽只是傳統(tǒng)工藝的殘留，其實(shí)不然。箭羽的作用類似于飛機(jī)的尾翼、導(dǎo)彈的方向舵、羽毛球的軟尾，它們共同的目標(biāo)是讓物體頭朝前、穩(wěn)著走。具體來說，箭羽的主要功能是提供靜穩(wěn)定性。箭的重心靠前（箭頭金屬重），而箭羽位于尾部，增加尾部的空氣阻力面積。當(dāng)箭飛行方向偏離時(shí)，尾部受到的空氣阻力更大，形成恢復(fù)力矩，把箭拉回正軌。這就像不倒翁，偏了也會自己回來。

此外，由于箭桿必須從弓的側(cè)面出發(fā)，被弦推動(dòng)時(shí)會發(fā)生橫向振動(dòng)。箭羽可以提供橫向阻尼進(jìn)行矯正，抑制箭的橫向振動(dòng)。螺旋式箭羽還可以使箭在飛行中緩慢旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生陀螺效應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)方向穩(wěn)定性。這一點(diǎn)和步槍膛線讓子彈旋轉(zhuǎn)的原理如出一轍。

如果咬掉一側(cè)箭羽，原本對稱的空氣阻力被打破。箭尾一側(cè)受風(fēng)面積大，另一側(cè)小，飛行中會產(chǎn)生持續(xù)的側(cè)向力矩，導(dǎo)致箭體不斷偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)不可控也不可預(yù)測，因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)太復(fù)雜，微小差異會導(dǎo)致巨大結(jié)果偏離，這是混沌系統(tǒng)的典型特征。電影中的咬掉一側(cè)箭羽從而使箭發(fā)生偏轉(zhuǎn)命中對手，是進(jìn)行了藝術(shù)加工，基本不可能存在于真實(shí)世界中。

by 單身男青年

Q.E.D.
投票 本期答題團(tuán)隊(duì)

單身男青年、Eric、藍(lán)多多、檸七、endlesscliff

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