纸吸管,可乐的一生之敌 | No.255

  可乐

  肥宅人的快乐水

  纸吸管

  环保界的冲锋者

  两者看似风马牛不相及

  但他们一旦相遇

  就是一场血雨腥风

  纸吸管

  可乐的一生之敌

  (所以为什么不直接大口喝可乐呢

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  )

  Q1为什么纯棉的衣服会缩水?什么材质的衣服也会缩水?by 1

  答:

  其实,除了棉织物以外,几乎所有的纤维织物在初次洗涤之后都会发生一定程度的收缩。这是因为,织物纤维都是高分子有机物的长链编织而成,而这些有机物长链,在其自由能最低的状态下都是卷曲起来的。为了织出挺直的衣物,在纺织天然纤维或是合成人造纤维的过程中,都会加热并拉伸纤维。卷曲的纤维在加热过程中舒展开来,在外力的作用下进一步拉直,冷却过程中纤维之间形成新的键联,伸直的形态就被固定下来。

  在初次洗涤的过程中,水分子进入到织物纤维的间隙之间,削弱了纤维分子的相互作用,绷紧的纤维分子于是纷纷松弛下来,晒干后衣物的尺寸便减小了。洗涤过程中衣物受到的外力捶打,也有可能使纤维分子间的键联断裂,导致纤维松弛收缩。除此之外,羊毛织物在水洗过程中还可能出现“缩绒性”,这是因为毛发表面覆盖着一层层角质蛋白构成的鳞片,在纺织过程中鳞片间隔被拉大,水洗过程中收缩,这也会导致织物缩水。

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  总而言之,洗涤过程中水分子进入纤维间隙,织物纤维分子间的键联被削弱,纤维发生卷曲和收缩,这是造成织物缩水的主要原因。而纤维分子间的键联削弱则主要是水分子进入分子间隙引起的。因此,虽然不同材质的衣物都可能发生缩水,纤维排列疏松的织物,如羊毛、纯棉衣物的缩水更为明显。

  by 乐在心中

  Q.E.D.

  Q2为什么油炸食品脆脆的,水煮的就软软的?by 匿名

  答:

  油炸过程是脱水的过程。油炸食品时油温在200℃左右,会先使得食物表面的水分沸腾出来,食物表面温度在100℃附近;在表层水分损失之后,食物表面温度会逐渐向油温靠拢,淀粉开始糊化,蛋白质逐渐变性,表面开始变脆,这一过程中,食物内部水分也会以气泡形式蒸发出来,进一步导致食物变得松脆,当然这在一定程度上阻碍了油进入食物内部。一个比较好的做法是油炸两次,第一次简单使食物吸油,第二次炸的时候就能使得整个食物内外都变脆。

  水煮过程是吸水过程,食物自由水增加,因此变软,实际上油炸物品长时间暴露在空气中,也会因为吸水而变软。

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  by Alan

  Q.E.D.

  Q3镜子反射的光线会有能量的损失吗?by 镜幻

  答:

  会有损失。一方面实际镜子的组成材料(如SiO₂)不可避免会对入射光有吸收,同时镜面不可能绝对光滑平整,会产生四面八方的散射(漫反射),导致入射光能量的损失。另一方面,即便忽略吸收和散射过程,电磁波照射到镜子上也会发生透过和反射两个过程,使得反射率小于100%,因此每一次反射都会有能量以透射的形式损失。对于相距3米反射率为95%的两面镀银镜面,1KW的灯1秒内发出的光在其间来回折射,只需要0.00001秒光线能量就会完全损失掉,即便使用99.99999%超高反射率的材料,这一过程也只需要5秒。需要区分的是,全反射过程中确实能够消除折射光导致的能量损失,但即便这样也无法消除吸收和散射带来的损耗,当然这并不影响我们利用光纤来进行信息传输,因为虽然光纤内的电磁波时间上来看也是损失的很快,但这短暂的时间光已经走出很远的距离,信息传递早已完成!

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  参考资料:

  [1] 两面镜子间发射一束光,光会不会一直反射下去?

  by Alan

  Q.E.D.

  Q4透明的物体,为什么我们也能看见?by 匿名

  答:

  这是个非常有趣的问题。首先我们知道,可见光的本质是电磁波,可见光其实是是电磁波谱中人眼可以看见的部分,而“看到物体”其实是物体发出(或反射)的可见光进入了我们的眼睛。我们生活的环境中充满了各种各样的光介质,不同介质中光的传播速度不同。根据费马原理,光会沿着使光线传播时间最稳定的路线传播。在均匀的介质(比如温度均匀的空气或水)中,光路一定是直线;但是当介质不均匀时,光路就不一定是直线了。海市蜃楼、太阳下山晚等等有趣的现象就是由此导致的。

  说回到透明物体。我们在生活中大多数“看到透明物体”的现象其实就是光介质不均匀所导致的。我们可以简单分类讨论:

  有一种情况是光介质发生了改变。光在界面上会发生折射和反射,和人眼位于界面同一面的光源向界面发射光,反射光进入我们的眼睛,我们就看到了界面的存在。和人眼位于界面不同面的光源向界面发射光,折射光进入到我们的眼睛,也会使我们察觉到中间有透明的物质存在。透明玻璃上的反光,放大镜的放大效果都是这种现象的体现。

  还有一种情况是,同一种的介质由于各种因素影响变得不再均匀,光在其中也不再沿直线传播。直观的体验是夏天的午时站在柏油马路旁,你会看到空气中“热浪滚滚”。这实际上就是由于地面高温,热量传递到空气中,使得空气不再均匀,穿过空气的光线也不沿直线传播,看起来就像某种物质在空气中弥漫一样。

  其实,不光可以说某物质对可见光是“透明”的,也可以说某物质对其他波段的电磁波是透明的。比如,骨头对X光是不透明的,而其他身体组织对X光却是透明的,因此我们可以用X光成像看到身体内部,帮助医生诊断。

  最后,我们可以稍微拓展一点。从电动力学的角度,真空才是真正的透明,其他物质都会与电磁波作用并影响电磁波的传播。另一方面,我们由广义相对论可知,在大质量的天体附近,时空会发生明显的弯曲,在这里传播的光线也会看起来发生弯曲。之前轰动一时的黑洞照片中的像,其实就是背景光源的光线经过了黑洞附近,发生弯曲的光线被我们观测到所成的像。因此,和前面讨论的类似,我们也能借助时空的弯曲来“看”到透明的真空呢。

  by Quesmark

  Q.E.D.

  Q5太空垃圾这么多,卫星撞到的概率有多大呢?by Delta. du

  答:

  太空垃圾是地球周围零碎的无用人造物体,小到漆片、粉尘,大到一整片飞船的残骸。目前地球轨道上有1亿个一粒盐大小的人造物体、50万个弹珠大小的物体、2.3万个接近或超过垒球大小的太空垃圾,而且其数量每年还以2%~5%的速度递增。

  下图是太空垃圾模拟图,而卫星与这些密集物体的撞击概率是很大的,早在1990年回收“挑战者号”时就发现其表面与太空垃圾撞击留下的凹槽多达3.2万个,平均每天撞击15次,2016年欧洲空间局(ESA)也在其官方网站公布舱体被极微小的太空垃圾撞击留下的密集的槽。只是撞击的太空垃圾直径可能不到千分之一毫米,没有危险性。但大碎片就完全不同,只要与一块大于10厘米的太空垃圾碰撞,航天器就会遭遇毁灭性打击,比如2009年2月10日,铱星33号和已经退役的苏联宇宙2251号相撞,仅仅4个月后,碰撞产生的太空碎片就已经几乎布满大半个地球上空。而在1亿块环绕地球运行的太空垃圾中,直径超过10厘米的至少有2.7万块。

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  参考资料:

  [1]卫星排队上天 太空垃圾成灾

  [2]卫星突然撞上太空垃圾,后果到底有多严重?看完大开眼界

  by Alan

  Q.E.D.

  Q6自然界中的绝大部分彩色,都可以由三种基色按一定比例混合得到,那么三基色又是怎么得到的?by 奇怪君

  答:

  “基色”亦称“原色”,是指不能通过其它颜色混合调配而得到的最基本的颜色,所以对于“原色”,自然就不是“得到”的,而是人为定义的。那我们平时常说的“三原色”,又是如何定义的?为什么偏偏选择这三种颜色而非其它颜色?这其实源于人体肉眼对光线的响应。

  人的眼睛内通常具有三种类型的视锥细胞(S、M、L),分别能对不同范围波长的光进行响应。S视锥细胞会对波长在400-500nm范围内的光进行相应,峰值出现在420-440nm处(蓝紫色);M视锥细胞会对波长在450-630nm范围内的光进行相应,峰值出现在534-555nm处(绿色);L视锥细胞会对波长在500-700nm范围内的光进行相应,峰值出现在564-580nm处(黄绿色)。

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  人的S、M和L类别视锥细胞对单色光谱刺激的归一化响应光谱 | 图源:wikipedia

  若现在要找出三种颜色,能够分别使其中一种类别的视锥细胞的响应强度远高于其余两种,那么红、绿、蓝将会是最佳的选择,故将此三色定为原色。

  当原色以不同比例混合时,会产生其他颜色,在不同的色彩空间系统中,有不同的原色组合,可以分为“叠加型”和“消减型”两种系统。

  “叠加型”原色系统中通常包含光源投射时所使用的色彩,以红色绿色蓝色作为原色(亦称为“三基色”)。若将此三原色的饱和度均调至最大并且等比例重叠时,则会呈现白色。这套原色系统常被称为“RGB色彩空间”,亦即由红(R)绿(G)蓝(B)所组合出的色彩系统。

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  叠加型原色系统 | 图源:wikipedia

  “消减型”原色系统中通常包含反射光源颜料着色时所使用的色彩,以黄色青色品红作为原色,聪明的你肯定已经发现,这三个颜色正是“叠加型”原色系统中三种原色两两混合后产生的。在传统的颜料着色技术中,通常以红色、黄色、蓝色作为原色,而现代基本都已采用“消减型”原色系统。若将此三原色的饱和度均调至最大并且等比例混合时,理论上会呈现黑色,但实际上由于颜料等原因呈现的是浊褐色。正因如此,在印刷技术中往往会加入第四种原色——黑色,其与前三种原色组成了“CMYK色彩空间”,即由青(C)品红(M)黄(Y)以及黑(K)所组合出的色彩系统。

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  消减型原色系统 | 图源:wikipedia

  参考资料:

  [1] 原色

  [2] 彩色视觉

  by Eric

  Q.E.D.

  Q7作为微小的物质,细胞和原子有什么区别?为什么一般都讲人体由细胞构成,不讲由原子构成?by 小玫瑰

  答:

  细胞和原子在体积上区别就已经很大了,某种意义上细胞已经不是微小的物质了。常见的大肠杆菌(E.coli)就已经有2μm长了,遑论哺乳动物长达1m的神经元和鸟类硕大的卵细胞。而碳原子的原子半径约有70pm,和细胞相比完全不在一个数量级(1μm=1,000,000pm,1m=1,000,000μm)。

  同时,细胞和原子在功能上的复杂性完全不能相比,细胞有极为复杂的结构和功能。例如,细胞内常见的液液相分离(LLPS:liquid-liquid phase separation)产生的液滴,其结构和功能都缺乏了解。细胞是生命活动的承担者,我们和路边的石头都是原子组成的,但是因为我们人类是细胞构成的多细胞生物,才会有复杂而迷惑的行为。

  人体由细胞构成的说法,一方面是历史形成的习惯,生物由细胞构成,细胞学说的建立是生物学发展史上非常重要的篇章;另一方面以细胞作为功能的主要单元,在研究和教学中更加科学方便。流式筛选筛选的是细胞,细胞培养培养的是细胞,单细胞测序也是对细胞的分群……以细胞作为基本单元可以很好的将组织和蛋白水平上的差异统一。而细胞干性、细胞分裂和分化的存在,也将生物体的基本单元限制在细胞水平。

  by 某大型裸猿

  Q.E.D.

  Q8为什么用纸吸管喝可乐会有泡泡冒出来,而且是吸一口就冒一会儿的那种?by 歪比歪比

  答:

  上周关于纸吸管喝可乐冒泡问题的解答引起了很多同学的讨论(指路No.254 Q5)。为了更好地理解此问题,我进行了简单的实验验证。

  实验用具:330ml罐装可口可乐,肯德基冷饮用纸吸管,表面粗糙的小石子,一次性筷子,小刀,直饮水机纯净水。

  实验现象:①将表面粗糙的小石子、一次性筷子、纸吸管分别放入三罐刚打开的可乐,均发生了快速产生气泡的现象,并且放入石子的一罐产生气泡的速度快很多,而放入一次性筷子和纸吸管时产生气泡的持续时间更长。肉眼观察,纸吸管和一次性筷子的粗糙度相仿,石子的粗糙度更高。②当纸吸管插入深度较深时,泡沫会从吸管中涌出。而当插入深度较浅时,泡沫主要在罐口处产生。控制插入深度在适当值,会在吸管内看到稳定在某一高度的泡沫,同时罐口处不断产生气泡。③用小刀切割纸吸管,在截面上滴纯净水,发现不论在截面上还是表面上,吸水速度都较慢。

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  图1 从左至右分别为放入一次性筷子、纸吸管、石子时的气泡产生情况

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  图2 纸吸管的吸水性能、纸吸管与一次性筷子的粗糙度对比

  实验结论:①可乐本身是过饱和溶液,一旦引入成核位点,过饱和的CO₂就会析出。粗糙度越高,析出速度越快。纸吸管的粗糙表面就是很多的成核位点,这是使得溶解在可乐中的CO₂析出的主要原因。②吸管插入后产生毛细现象,由于泡沫的密度很低,吸管内液面抬升的高度提高很多。当抬升高度大于吸管在液面以上部分长度时,泡沫就会源源不断地从吸管内涌出。抬升高度小于吸管在液面以上部分长度时,则主要在罐口处产生气泡。③纸吸管的吸水性很差,在插入可乐后的短时间内能吸走的水分有限,纸吸水带来的化学平衡移动应当不是造成可乐中CO₂析出的主要原因。

  本实验仅为演示现象,详细定量研究还需排除温度,物体形状,放入速度等因素的影响。

  扩展讨论:原问题中说“吸一口冒好一会”,对此笔者认为,吸管插入时气泡就已经在产生,吸一口的同时会把气泡吸上来,之后冒好一会只是气泡在持续产生。

  从可乐中的曼妥思到纸吸管,一杯饮料激发了无数人对科学的好奇。本次实验用到的都是生活中随处可见的东西,欢迎读者自行尝试,或者提出新的假设和实验。下次再喝可乐时,可以理直气壮地说,我喝的是汽水吗?我喝的是知识~

  by 老张

  Q.E.D.

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