奇怪的物理知识增加啦(Ⅱ)

第二期奇怪的物理知识增加啦

• 自制荧光棒的奇淫技巧
  • 首先找一个内部干燥的透明的水瓶，然后将其容积的四分之一用大块冰糖填充。做好这一切后只需要等待一个昏暗的夜晚，记得关好灯，拉上窗帘，伸手不见五指的效果越好越棒。迅速地摇晃你装好的塑料瓶，然后你就能看到瓶中的冰糖发出蓝紫色的闪光啦！摇得越快效果越好哦😋
  • 下面简单说说基本原理叭
    • 这种现象科学上称为摩擦荧光，由于冰糖晶体是非对称的，在断裂过程中断面上会带正负电荷，在这过程中振动摩擦的机械能转化为电势能。在电荷中和的放电过程中激发了空气中的氮气分子，激发能以荧光的形式放出
  • 理论上能够产生摩擦荧光的晶体还有氟化锂、氯化钠和碳化硅等等

• 津南妖风的产生
  • 昨天小U在跑创高的时候再一次遭遇了妖风的侵袭，风太大，这让小U很难受
  • 地球上能刮风💨，还得归功于太阳☀先生。太阳光照射在地表上加热了表面空气。由于地球表面不完全同质，比如海洋和陆地的比热容差别。在白天时，由于陆地的比热容比海洋比热容大，在相同条件下陆地升温比海洋高。我们知道空气受热后会膨胀上升，就会在靠近地面的区域形成一个低气压区，因为到大地升温更快，虽然海洋上方的暖空气也会上升形成低压区，因此相对于陆地来说，海洋就是一个高气压区，所以大气由海洋向陆地移动；到了晚上则相反
  • 一句话，风就是太阳光照驱动的热对流现象

• 音障？音乐小白😥
  • 关于声音相关的内容请看《奇怪的物理知识增加啦》系列第Ⅰ部的介绍
  • 音障并不是音乐小白的意思啦，而是一种有意思的物理现象
  • 当物体的运动速度达到所在介质中的声速时，其与周围空气发生碰撞时，空气来不及将这种挤压扩散传递出去，就会被紧密的压缩在一起，像极了你狠狠的挤压一个弹簧时的场景。这种情况下会对运动物体产生剧烈的阻力和扰动，这种现象就是音障
  • 比如高空飞行的飞起，当飞行速度达到介质声速时，被挤压的空气压强很大，压缩层与层外空气在密度和温度上都有很大的跃变，该过程会释放大量能量产生巨响，空气中的水蒸气液化为小水滴，形成一片白云，这种云就是音爆云
  • 音爆与音爆云都只在超越声速的时刻产生，当飞行速度完全越过声速时，飞机跑的比声波快，本来以球面波传播的声波波前形成一个锥面，这就是声锥。容易理解，在声锥之外的你不会听到任何声音，当声锥界面传播到你的位置时，空气压强的突变会让你听到一声爆炸声音，这就是音爆
  • 其实最常见的音爆现象就在我们身边————公园里的老大爷挥舞着长鞭抽陀螺时往往能听到啪啪的响声，这就是鞭子尾端的瞬间速度超过声速发出的音爆声
  • 在任何介质中，当波源的运动速度超过介质声速时都会产生激波现象。激波现象不仅仅局限于声学，对光也成立。当高能粒子的运动速度超过介质中的光速时，就会出现切连科夫辐射，也是一种激波现象；海洋中行驶的船速快于睡眠波的传播速度时就会产生艏波，也是一种激波现象

• 流动的水与静水的结冰问题
  • 这个问题还得回溯到过去的寒假，可怜的小U和可怜的室友们被迫封锁在学校，在前往一次例行核酸筛查的路上，室友突然发问：”你开的这条’内陆河’是上层水先结冰还是下层水先结冰啊？”听到这个小U和室友不约而同地不过脑子就回答了上层先结冰。但真的是这么回事儿嘛？
  • 下面让我们仔细想一想一些生活中的小问题
    • 动水与静水谁先结冰？
      • 水从液态到固态的转变除了要达到凝固点外，结晶过程还需要凝结核，凝结核逐渐增大，形成比较大块的冰晶。影响结晶速率的主要因素有成核速率和生长速率。流动的水相比于静止的水成核更为困难，在水流作用下，水分子在凝结核表面难以长时间停留，影响晶体生长速率。并且水流一般都不是层流而是紊流，水流层中温度较高的到达表面时需要带走更多的热量才能结冰，因此总的来说，流动的水更难结冰
    • 湖面和湖边谁先结冰
      • 大多数旅行者会知道：我们知道水在4℃时达到最大密度，在低于4℃时冷胀热缩，高于4℃时热胀冷缩，密度大的水将下沉到下方水层，密度较小的水层会上升到表面，因此理论上应该是河面上的水先结冰。
      • 正是因为上层水面率先结冰，隔绝了下层水面与外界的联系，所以一般来说下层水面不容易结冰，这就给很多的水下生物在寒冷的冬天创造了生存条件🐟
      • 更加细心的旅行者会发现水面结冰一般是从边沿向中心开始。解释这个现象需要小小的了解一下水分子的结构特点：水分子是一种极性分子，氧原子呈现负电性而氢原子呈现正电性，相互接近的水分子会在电性相异的区域互相吸引，该过程会降低彼此的交互位能形成氢键，并转化为动能。释放的动能如果不能及时以热量释放，升高周遭温度时会增大分子平均动能，氢键就容易断裂，影响进一步结晶。从外周向中央结冰正是由于散热速度差异造成的，新氢键形成的过程中释放的能量需要传导到外界才能促进结晶，因此在散热快的区域结晶也更快。

• 用生马铃薯粉也能制作防弹衣？ฅʕ•̫͡•ʔฅ
  • 你没听错，用生马铃薯粉也能制作防弹衣！但这是为什么呢？
  • 这个问题我们先不着急回答😀，先来一波强行知识输出
    • 模量
      • 弹性模量E：大家更熟悉的名字或许是杨氏模量。弹性模量是指材料在弹性形变范围内，作用于材料上的纵向应力与纵向应变的比值。弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量模式材料刚度的度量，也是形变难易程度的表征。
      • 柔量J：柔量是应变对应力的比值，是弹性模量的倒数，表征材料受到单位应力的应变率
      • 剪切模量G：也可以称为切变弹性模量。剪切模量是剪切应力与剪切应变之比，剪切模量与弹性模量和泊松比的关系为$G=\frac{E}{2(1+\gamma)}$
      • 体积模量K：体积模量描述各向同性固体的弹性，反映不可压缩性。体积模量与弹性模量和泊松比的关系为$K=\frac{E}{3(1-2\gamma)}$
    • 应力
      • 物体在受到外界因素影响而出现变形时，物体内各部分之间产生相互作用抵抗变化并试图恢复变形会产生内力，作用在单位面积上的内力称为应力。应力是一个矢量，沿截面法向的分量为正应力，沿切向的分量为切应力
    • 应变
      • 应变是在外界因素作用下物体出现的相对形变，分为正应变(线应变)、切应变(角应变)和体应变，$\varepsilon=\frac{\mathrm{dL}}{L}$
    • 小广告：有关应力应变的更加深入的内容，欢迎阅读后续单独推出的正式文章噢
  • 我们之所以能大胆到使用生马铃薯粉来抵挡子弹，主要原因就是生马铃薯粉溶液是一种膨胀型流体，它是非牛顿流体中的一种，膨胀型流体的粘性会随着剪切速率增大而快速增大，当液体受到外部的快速作用打击时，液体的黏度对急剧增加并变得像固体一样结实；当遇到缓慢的作用时又能轻松进入，几乎感觉不到阻力。常见的膨胀型流体还有面粉溶液等等。
  • 与膨胀型流体相反的是假塑性流体，这种流体的黏度随着剪切速率增大而减小，搅拌速度越快越省力,高分子胶体溶液和浓溶液大都属于假塑性流体.
  • 看过《奇怪的物理知识增加啦Ⅰ》的朋友一定记得牙膏也是一种非牛顿流体，不过牙膏属于另一种类型的非牛顿流体————宾厄姆流体。这种流体的突出性质为只有当外力达到一定的数值时才会产生形变和流动
  • 非牛顿流体能带来一些好玩的现象，小U权当白送给大家知道啦(这样的小U哪里找，还不光速给好评！)
    • 维森堡效应：维森堡效应又称包轴效应，又称爬杆效应，是指盛放在容器内的高分子液体，当容器内的转轴旋转时，流体没有因为惯性作用向容器壁离心运动，反而绕在转轴附近并向上爬升的现象。简单的解释如下：具有弹性的高分子流体在旋转时会沿着圆周方向取向并出现拉伸形变，从而产生朝向轴心的压力，推动流体沿杆爬升
    • 无管虹吸现象：不同于牛顿流体，在虹吸过程中，如果虹吸管离开液面，牛顿流体的虹吸现象就会停止；但对于高分子流体，当虹吸管从液面提离时，液体仍然会从容器内抽出；更简单些连虹吸管都不需要，直接将装满该液体的烧杯微倾，使液体流下，该过程一旦开始，就不会中止，直到杯中液体都流光。简单解释来说，这是因为流体的拉伸流动的速度变化方向与流动方向相同导致的
    • 湍流减阻效应：又称Toms效应，是指在高速的管道湍流中加入少许高分子物质后管道阻力将大幅减小的现象。不过湍流减阻效应的机理尚不完全清楚，就靠各位旅行者们进一步发掘啦！

• 液压？我说的是液体沸点与气压啦(っ´Ι`)っ
  • 液体沸腾时，液体内部形成的气泡中的饱和蒸汽压必须与外界压强相等，气泡才有可能长大并上升，换言之，沸点是液体的饱和蒸汽压等与外界压强时的温度。外界气压降低时，液体所需要达到的饱和蒸汽压也会降低，因此沸点也会降低。
  • 从分子热动力学的角度来说，升高温度会使得分子平均动能增大，使液体分子更加容易逃逸出去。逃逸的分子与大气气体分子发生碰撞就有被撞回去的可能。当大气压降低后，大气气体分子的密度下降，因此升高温度时液体分子更容易逃逸，所需要的温度也没那么高啦
  • 说了半天，觉得还是很有必要说说什么是饱和蒸汽压
    • 饱和蒸汽压就是在一定温度下，与固体或液体处于相平衡的蒸气所具有的压强。同一物质在不同温度下具有不同的饱和蒸汽压，并随着温度升高而增大。纯溶剂的饱和蒸汽压大于溶液的饱和蒸汽压；同一物质在固态下的饱和蒸汽压小于液态时的饱和蒸汽压
    • 饱和蒸汽压的计算
      • 范特霍夫方程：用于计算在不同温度下某反应的平衡常数的方程
        $$\begin{aligned}
        \frac{\mathrm{d\ln{p}}}{\mathrm{d\frac{1}{T}}}=-\frac{H(v)}{R\cdot Z(v)}
        \end{aligned}$$
        p为饱和蒸汽压、H为焓变，即相变潜热，这里为蒸发潜热、Z(v)是理想气体状态方程应用于实际气体方程的修正因子、R是理想气体常数
      • 克劳修斯-克拉佩龙方程:用于描述单组分系统在相平衡时压强随温度的变化率的方程
        $$\begin{aligned}
        \frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dT}}=\frac{L}{T\Delta V}
        \end{aligned}$$
        L是相变潜热，也称相变焓，T是平衡温度，ΔV是相变过程中的比容(单位质量物体所占有的容积)变化
      • 安托因方程：一个最简单的三参数，用来描述纯液体饱和蒸汽压的方程，是经验方程
        $$\begin{aligned}
        \lg(P)=A-\frac{B}{T+C}
        \end{aligned}$$
        T是摄氏温标温度，P为毫米汞柱单位

• 贸易风o(=•ェ•=)m是什么风
  • 古代航海家使用帆船航行全靠风力推送，人们发现地球上有一些地带的风向几乎全年不变，称为定向风。哥伦布是第一个全面了解并成分利用好大西洋中有规律风系的探险家，他知道低纬度地区总是吹东风，较高纬度地区则经常吹西风。这种低纬度东风再南北半球都有：北半球以东北风为主，南半球以东南风为主，年年如此，十分讲信用，因此被人们称为信风。古代商人借助信风在海上进行贸易活动，因此信风又被称为贸易风
  • 还有一个有意思的现象是，当航行的船队穿过信风带沿着南北纬30°附近航行时，海面上常常一丝风也没有，闷热异常。由于缺少风力推动，船队在这一纬度区将不得不长时间停留，船队上的马匹因为缺少淡水和饲料而死亡，因此这一无风地区也称为马维度、马的死亡线
  • 在南北纬40°-50°附近会遇到与低纬度地区风向相反的西风，猛烈而稳定，风力常常能达到11级的暴风级，在海上掀起狂涛巨浪，称之为咆哮西风带
  • 到了极地地区，风向又转为常年东风
  • 口说无凭，上图为敬
  • 上面展示的内容就是大气环流的七个气压带和六个风带的具体表现。大气环流是一台巨型热机，热机的高温源在赤道地区，低温源在极地地区
  • 在北半球，赤道地区的大气是由南向北运动。北半球的科里奥利力，也即地转偏向力，始终向右，迫使气流向右偏转，让南风逐渐变为西南风。这股气流在到达北纬30°附近时风向已经偏转到与纬线平行，无法继续向北流动，空气便在北纬30°地区的高空堆积并产生下沉气流。空气下沉的过程中温度升高，水蒸气不断蒸发，表现为闷热无风，此区域就是副热带高压区。下沉聚集在副热带的地面气流，一部分向南回流向赤道，由北风偏转为东北信风；另一部分向北流，偏转为西南风，即盛行西风。与此同时，极地高压带向南流动的地面气流向右偏转为东北风，即极地东风。极地东风与盛行西风在北纬60°附近交锋，互不退让，只能上升形成副极地低气压带，并构成中维环流圈和高纬环流圈。在南半球，地转偏向力向左，上述过程七号与北半球镜像对称

• 银龙飞舞，匹练垂空的大气瀑布
  • 我们知道当风遇到山脉阻挡时会沿着迎风面爬升，再翻越山脊沿着背风面泻下，就像大气瀑布一般。大气瀑布经过的地方，其山前山后的自然景观是截然不同的，可谓是山前山后两重天
  • 气象学上将这种风称为焚风，它是一股由山顶沿山坡向下吹的热风，气流翻越山脊沿山坡向下流去，每下降100米气温大约升高1℃，焚风干而热，因此所经之地常干热难熬
  • 世界上最著名的焚风区就在阿尔卑斯山脉北麓

• ☁云彩新章
  • 在水蒸气上升过程中周围空气越发稀薄，气压因此降低，上升空气的体积随之膨胀，膨胀过程中自身能量损耗，上升空气的温度随之降低，水汽很快就会到达饱和状态。随着温度进一步下降，多余的水汽附着在凝结核上形成小水滴。温度降低到一定程度时水汽就容易凝华形成小冰晶或者形成过冷液滴。受上升气流的支撑就聚集漂浮在空中，形成可见的云朵
  • 空气的运动形式不同会制造出不同类型的云朵
    • 发生上下对流的空气会形成孤立向上发展的云朵，称为积状云
    • 沿一定坡度大规模斜升的空气会形成一种像幕布铺满天空的云层，称为层状云，层状云的覆盖范围常达数百千米
    • 空气沿水平方向进行波状运动，将在波峰处形成云朵，而波谷处不会形成云朵，产生的效果就是一排排列整齐、中间存在间隔的波状云
    • 空气若能上升到很高的高度，由于水汽含量很小，水汽直接凝华形成分布不均匀的小冰晶，在高空风飘的作用下就会形成千丝万缕的云朵，称为卷云