流动的水比静止的水更难结冰吗？| No.135_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2018-12-29 14:11
原创：中科院物理所
《吕氏春秋》里有一句话：流水不腐，户枢不蠹。意思是说常流动的水不容易发臭，常转的门轴不容易被虫蛀，比喻经常运动，生命力才会持久。但是流水除了“不腐”以外，好像也不太容易结冰，这是真的吗？如果是那又是为什么呢？
1
Q
一根高蜡烛和一根矮蜡烛同时点燃，倒扣上一个大玻璃罩，为什么高蜡烛先熄灭？
by 佚名
A
蜡烛燃烧消耗氧气，产生二氧化碳和水蒸气。产生的二氧化碳和水蒸气温度很高，密度较低，会上升到玻璃罩内空间上部，将氧气与氮气挤到下面，因而高的蜡烛首先缺氧熄灭。当然这也不是绝对，如果存在有效手段能让二氧化碳气体降温（例如玻璃罩大一些，高温二氧化碳与周围空气充分交换热量；或者换成金属罩，加快散热），使二氧化碳与周围空气温度相同。这时二氧化碳密度大于空气，沉于底部，这时矮蜡烛会首先缺氧熄灭。
By 可爱的你
2
Q
流动的水比静止的水更难结冰吗？
by Glenn
A
流动的水的确比静止的水更难结冰。
水结冰其实是一种结晶的现象，结晶首先需要有凝结核，然后凝结核不断长大，最终长成大块晶体。从这里可以看出，结晶速率主要受到两个因素的影响，一个是成核速率，一个是生长速率。
流动的水中，质点不容易聚集，成核困难；其次，受水流作用，水分子在凝结核表面比较难长时间停留，晶体生长速率变缓。以上是从微观的动力学角度考虑，从宏观上考虑，流动的水一般都是紊流，不是层流，因此水流下方温度比较高的水会到表层来，那么，就需要带走更多热量才能让表层的水结冰，这也会使得流动的水更难结冰。
By 重光
3
Q
换气扇是怎么实现换气的？
by _(:з」∠)_
A
换气扇的换气方式有排出式、吸入式、并用式三种。排出式从自然进气口进入空气，通过换气扇排出污浊空气。
吸入式通过换气扇吸入新鲜空气，从自然排气口排出污浊空气；并用式是吸气与排气均由换气扇来完成。三者的工作原理基本相同，都是通过风扇扇叶的转动来实现换气的。
可以看到，扇叶和中轴是呈一定角度的，当扇叶顺时针转动时，出风口的空气分子被推动而被压缩，气压增大，从而向外部低气压的地方运动；而送风口出现则会出现局部的负压，外部的空气在压强的作用下向送分口运动，对缺失的空气分子进行填充。由此实现了空气的定向流动，达到室内外气体交换的效果。
By Major Tom
4
Q
为什么火焰不受重力影响一直是向上飘，而不是向下飘或者成球形？
by 上周的今天的明天考研
A
在不受重力的情况下，其实已经没有上下左右之分了，没有火焰不受重力影响一直向上飘这种说法。不过火焰在不受重力作用下确实是球形或者是近似球形，NASA曾经在国际空间站做过这个实验。
视频链接：Strange Flames on the International Space Station
在地球上，烛焰自蜡烛的芯开始，向上耸起，呈两头稍尖的长椭圆形。这是因为在重力作用下，受热的空气密度较低，会上升，周围的冷空气密度较大，会下沉，并流向焰心部位，这样，空气就形成了对流，产生了明亮的外焰，也拉长了火焰的形状。太空中的烛焰是近似于球形的，因为太空中没有对流，烛焰成球形且向外扩散，烛芯在火焰最里层。
图片来源：YouTube
NASA还做了Flame Extinguishment Experiment (FLEX)的实验（FLEX-ible Insight Into Flame Behavior）。使用点火枪点燃庚烷液滴（上面的视频在2:24处就是这个实验），从实验中可以看到，没有外界扰动的情况下，太空中的火焰其实几乎不移动，不会“上升”也不会“下降”，就如下图所示，火焰向外扩散，然后熄灭，但是液滴却在无火焰的情况下继续燃烧，持续了20 s。
图片来源：NASA
By 重光
5
Q
为什么用一根手指可以让坐着的人站不起来？感觉是力矩的原因但具体是怎么样的呢？
by INFINITE
A
要弄明白这个问题，就得先明白人是如何从端坐（注意一定要端坐，耸肩弯背的姿势不在考虑之列）到站起的。人在端坐时，重心位于小腿后面，臀部附近。站起过程是重心向前向上移动的过程，具体步骤是有腰腹部肌内收缩，身体前倾将重心移到与脚垂直，腿部肌肉收缩使腿站直，重心上移。
如果端坐时有人用手指戳着额头（注意是额头哈，如果戳胸及胸部以下的话一根手指就办不到了），那么身体是无法前倾的，因为腰腹部肌肉在臀部附近，而身子前倾却是以臀部为支点的转动，故而腰腹部肌内的力臂短，而戳额头的指头力臂长。这样指头很小的力可以造成较大力矩，以致腰腹部力量无法克服该力矩，重心不会前移。第一步没有发生，我们腿部肌肉无从发力，也就站不起来了。
By 可爱的你
6
Q
雷雨天气拨打手机真的会引起雷击吗？
by Q
A
首先解释一下雷击的发生原因，雷击其实是云地之间放电。强对流天气下，云中的小水滴和冰晶摩擦、碰撞，使得云层顶部带正电荷，云层底部带负电荷，大地表面感应出正电荷，云层底部和大地构成一个电容器。当空气被击穿，云层底部的负电荷和大地带的正电荷中和就是雷击了。
云地之间放电会找一条最“简便”的通道，优先通过尖锐（曲率大，电荷密度高）、导电、离云层近的物体向大地放电，比如避雷针就很是符合这个特点。而手机主要的主要功能是接收和发射电磁波，这个电磁波的强度很弱，不至于电离空气，招来雷击；手机表面也不尖锐，也没人打电话时把手机像火炬一样高高地举着。所以雷雨天气在建筑群里面用手机拨打电话不会引起雷击，因为高层建筑尖锐的部分和避雷针被雷击的优先级更高。如果在空旷的地方用手机拨打电话被雷击了，那不是手机的锅，是因为相对于平地来说，那儿站个人实在是太突出了。
Ps：雷雨天还是别打电话了，一是雷声大听不清，二是你会发现，出现闪电那一会儿，手机信号不好，听对方的声音断断续续的（亲测）。
By 重光
7
Q
我们天文观测到的遥远天体都是实时的吗？如果是观测过去的天体有什么意义?
by 佚名
A
第一个问题。好消息好消息！宇宙首家天文台上线了，性感天体在线发光。。（我在说什么呢？）可惜这场直播有延迟，光走过来需要时间，看到的当然是过去发出的光。至于是多久之前的，可以参见122期问题6太阳还能烧多少年？| No.122
第二个问题问得好！看到过去恐怕是天文最大的意义了。时间的车轮滚滚向前，谁不想突破时间的限制看穿古今，尤其是看到宇宙的演化历程？可是天长地久绵绵无期，仅太阳的年龄就已经有50亿年，银河系的年龄更是逾百亿年，而人类的出现不过万年，一个天文学家的一生也不过百年，如之奈何？广袤的宇宙给我们提供了无限可能性。宇宙中充斥着各种类型、各种演化时期的天体，通过研究它们，我们就可以绘制出不同种类天体一生的蓝图，从而得知我们的太阳、银河系的前世今生，包括未来。至于研究宇宙的历史，则需要寻找遥远的天体，也就是很久以前宇宙早期的天体，这些相当于宇宙中的活化石。通过观测它们，我们就看到了宇宙以前的样子，看到不同时期的宇宙有什么差别，从而得知宇宙的演化历程。研究过去，也是为了探寻将来的发展道路。
天文，就是为了回答我们从哪来，我们要到哪去。所以大家真的不考虑学个天文吗？
By 起个笔名真难
8
Q
短道速滑运动员过弯时动作有何讲究，背后的原理又是怎样的？
by 心中有党，成绩理想
A
我们先对运动员（没错，就是那根杆）做一个受力分析，为了使问题简单化，我们忽略了阻力和运动员手部与冰面的相互作用。假设运动员质量为m，冰面对冰刀的支持力为N，冰刀与冰面夹角为θ，弯道的半径为R，运动员以速度v做匀速圆周运动。其动力学方程为
短道速滑运动员过弯的简单动力学模型
对于短道速滑来说，弯道半径小，运动速度快，我们假设运动员质量为60kg，将R=8m，v=11m/s代入，可以粗略计算出向心力为908N，这是一个不小的数值。向心力谁来提供呢？从上面的受力分析可以看出是支持力的水平分力，因此运动员可以增加蹬冰力来增加支持力N，或者是增大身体向冰面的倾斜程度（即减小θ）来满足向心力的需求。而支持力是有限的，所以短道速滑运动员过弯时，身体会向冰面倾斜，防止支持力不足以提供向心力而向外圈侧向滑动，给对手从内线弯道超越的机会。一般来说，短道速滑运动员在过弯时倾角约为30°，这时身体很容易失稳，因此运动员采用深蹲弯腰的姿势来降低重心，并用带了防护手套的手去触碰冰面，对身体进行一定的支撑。当然，如果你有过人的实力，你完全可以弯道背手超越，出弯甚至还可以扶一下护目镜。
短道速滑运动员过弯姿势
参考：
刘锋，关汝华. 短道速滑使用槽刃冰刀的理论初探[J]. 体育学刊，2013，20(3)：108-111.
By Major Tom
