物理中有哪些不可思議(違背直覺)的事實?

問題描述:請各位答主注意:此問題與
, , , ,
LCtheGOD:

感謝評論區 @invincible.man 的指正,現在提供新的解釋。文章結尾將給出之前被否定的理論,以及否定的原因。

想當年,物理書上曾有一道有趣的思考題,喪心病狂的單車踏板

「有經驗的人」知道,單車左邊的踏板是左旋(逆時針擰緊)的

而略懂機械知識的人會知道,這種設計,通常是為了利用踏板工作時,對螺絲的摩擦力來擰緊螺絲

這時問題來了

踏板的工作方向與擰緊螺絲的方向相反!

是不是感覺自己發現了新大陸?設計單車的人都沒有自己聰明,哈哈哈!

(無意抹黑物理吧水準,畢竟這個原理涉及工科知識)

但是且慢,真的是這樣嗎?

如下圖,踏板逆時針轉動時,螺絲受到的摩擦力也是逆時針的。

然而,這個摩擦力,並不是擰動螺絲的主要動力!

這里涉及螺絲螺母的一個重要特性

(車是二手的,這里真的不是我擰花的)

為了讓螺絲順利擰入,螺絲與螺母的半徑並不相同。螺絲會比螺母的孔小一些。當螺絲鬆脫時,會在螺母內滾動。

圖中,藍色的是螺絲,紅色的是螺母,綠色剪頭指向踏板底面(這里假設螺母固定。實際上,相對騎行者而言,踏板是固定的,而螺母是轉動的)

這個滾動帶來的,向擰緊方向的摩擦力,遠大於軸承的摩擦力!這才是擰動螺絲主要動力!

怎麼樣,反不反直覺!

參考資料:
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Precession_(mechanical)


只子啊:

作為一個文科生,這兩天看的一個紀錄片,關於空間的解釋就先震驚了我。

一直覺得空間就是什麼都沒有的。

視訊告訴我們,空間本身就是存在的事物,具有可變性,和時間相互影響聯系,形成時空。



這部紀錄片一共有四集,叫《宇宙的構造》
b站有資源

我身邊很多人都不知道誒,學文科的話從高二就不接觸物理了,對宇宙感興趣別人推薦來看,我覺得很神奇呀。

第二集講時間,我也是不可思議中。

我就是個普通文科女,高一物理經常不及格,大學也是學的教育。。。。之前突然對天文感興趣,然後到被宇宙吸引,以致也對物理有點興趣,感覺物理太神奇了。

關於彈幕的吐槽,這個視訊我第一次看的時候是關閉彈幕的,後來再看時打開是想看看大家的想法,當時截圖時忘記關了,後來也就懶得再去改。

感謝評論區大家的科普和建議,比心


招舟:

2. 跳舞的液滴(Dancing droplets)

跳舞的液滴

背景音樂可以說非常贊了!

原視訊網址:

https://www.youtube.com/watch?v=ZMsaH6SY4CY​www.youtube.com

文獻[1]:Cira, N. J., Benusiglio, A., & Prakash, M. (2015). Vapour-mediated sensing and motility in two-component droplets.Nature,519(7544), 446.

朋友們,你見過的液滴多了,但是你見過會跑的液滴嗎?

實驗中使用的液滴是 propylene glycol (丙二醇)與水的混合物

有顏色是加了一些染料,如果兩個液滴顏色相同,代表兩個液滴混合物中水含量相同,不同顏色,表面水含量不同。

文章中對這個現象的解釋是

”These droplets are stabilized by evaporation-induced surface tension gradients and that they move in response to the vapour emitted by neighbouring droplets.”

這些液滴是由蒸發引起的表面張力梯度穩定的,運動是因為他們會對周圍其他液滴的蒸汽的響應。換句話說,液滴的運動是因為液滴不同地方蒸汽濃度不同,因此受力也不同,所以就會向一個方向運動。

兩個相鄰的液滴示意圖(文獻[1])

具體的解釋如下:

『』Evaporation from a sessile droplet is known to produce a vapour gradient. Since the vapour pressure of water is one hundreds times larger than the vapour pressure of PG, the dominant vapour is water. Two neighbouring droplets each lie in a gradient of water vapour produced by the other. This gradient causes a local increase in RH and thus decreased evaporation of the thin film on the adjacent portions of the droplets, breaking symmetry. The decreased evaporation leads to an increased water fraction in the thin film, hence increasing cLV, film locally. Asymmetric cLV, film around the droplet causes a net force that drives the droplets towards each other.『』

一個正在蒸發的液滴,周圍會有一個蒸汽梯度分布(不同地方濃度不同)。因為水的蒸汽壓比丙二醇蒸汽壓大100倍,因此主要考慮水蒸氣的影響

當兩個液滴相鄰時,會彼此影響空間的蒸汽濃度分布,具體來說就是兩個液滴靠近的地方蒸汽濃度高,遠離的地方蒸汽濃度低。

而空氣中的蒸汽濃度會影響蒸發速率,蒸汽濃度高,蒸發速率慢。所以在兩個液滴靠近的地方,蒸汽濃度高,蒸發速率慢,水含量就高了

而這個由丙二醇和水組成的液滴,如果距離較近的地方水含量高,則相應的那部分表面張力也會增大,因為水的表面張力比丙二醇大。反之,兩液滴距離較遠的地方水含量低,表面張力小。

而根據Marangoni effect(馬蘭格尼效應),在表面張力不同時,會有一個力由表面張力小的地方指向表面張力大的地方。

在這里,我們的情況就是有一個力,方向:由兩液滴距離較遠的地方指向由兩液滴距離較近的地方。換句話說,他們倆就會靠在一起。

為什麼顏色相同會融合,而顏色不同則會相互追逐呢?

作用過程如下圖所示

不同濃度液滴(顏色不同)的相互作用過程
相同濃度液滴(顏色相同)的相互作用過程

(1) . 無論兩個液滴濃度是否相同,都會存在一個長程的吸引力,機理上面已經解釋了,所以相同顏色的會吸引,最後合併在一起;

(2). 而不同顏色,換句話說,不同濃度的液滴在靠近時不會合併是因為有另外一個效應,稱為「chasing phase」, 追逐相?在這個相中,

『』Fluid is directly exchanged between the droplets, as visualized by a fluorescent dye (Supplementary Video 4). This exchange of fluid leads to a surface tension gradient and Marangoni flow across both the droplets, where the droplet of lower surface tension 『chases』 the droplet of higher surface tension, which in turn『flees』 away『』

不同液滴的流體發生交換,導致表面張力梯度和馬蘭格尼流動穿過了液滴,同時作用在兩個液滴上,導致表面張力低的液滴開始追逐表面張力高的液滴。

1. 層流實驗(Laminar Flow) 層流實驗

原視訊網址:

https://www.youtube.com/watch?v=p08_KlTKP50​www.youtube.com

註解的網站:

http://www.flintbox.com/public/project/6027/​www.flintbox.com

實驗裝置由兩個同心圓柱組成,裡面的圓柱可以轉動。首先在裡面加入一些有顏色的液滴,作為標記,再小心地保存裝置穩定不振動,視訊中,有很多手壓住這個裝置。然後再慢慢地轉動裡面的圓柱,相當於施加一個剪切力,使得整個流體都會有一個速度。轉動過程中,能看到不同顏色的液滴好像混在了一起、變成了一大片。接著,反方向轉動裡面的圓柱,會發現混在一大片的液滴慢慢縮回了最初的狀態

我們正常的預期: 分散開的墨水並不能復原,是基於擴散或攪拌的影響是不可逆的,比如滴在水裡的墨水,不可能再聚成一滴。

在這里看到的視訊里現象的原因有兩個

(1). 視訊中的流動是層流。也就是不隨著時間改變的、穩定的流動。層流發生在雷諾數小的時候,雷諾數的定義是速度乘以特徵長度再除以粘度,在視訊中用到的流體是糖漿,粘度很大,因此雷諾數很小。

(2). 擴散可以忽略。因為流體粘度很大,時間也不長,擴散的影響可以忽略。否則,這個效果就看不到了,因為擴散是不可逆的,熵增過程。


英俊的小老虎:

既然有人提到泊松亮斑了,來來來,我們好好說說這段故事。

遙想當年,祖師爺牛頓老爺子如日中天的時候。

再一次演講中,他提出了關於光的本質的認識,認為光是由微粒組成,光的微粒學說就此建立

參加大會的很多物理學家在迫於老爺子淫威,紛紛表態「牛頓說得對啊,好棒好棒」

但有一個人不幹了,他叫惠更斯,一個如彗星般的男子

他繼承了胡克的思想,emmmm,胡克和牛頓的仇下把有機會再說

總之,惠更斯就出來砸場子了,他說不對,光不應該是微粒,應該是一種機械波

光的波動學說也就此建立

然後兩邊就開始各種互相diss

事實證明,有文化的人撕比起來和大街上潑婦吵架差不多

然後有一個關鍵性的人出現

泊松,一個偉大的數學家

注意!注意!注意!

此人是牛頓的小迷弟

他利用他強大的數學知識

算出來一個驚人的秘密

按照波動學說的理論,如果一束光線通過一個特定大小不透光紙片,會在另一端中心形成亮斑

然後他就拿著這個重大發現去找波動學說那幫人理論

他還幻想著他的偶像牛頓看到這一幕會不會愛上他哈哈哈

牛頓心裡也很安慰

手底下也不全是廢物啊

然後

然後

亮斑真的被波動學說那幫人找到了!

還被戲稱為泊松亮斑

牛頓當時內心一定想手刃了泊松吧


畢導:

從微觀定義上講,指的是物體的分子可能的狀態數,代表一種混亂的程度。熵越大,分子在微觀上可能的狀態越多,也就越混亂。

比如一個盒子里有4個分子,如果我們把盒子分成左右兩個部分,那這些分子在這個盒子里有5種分布的可能:左0右4,左1右3,左2右2,左3右1,左4右0。事實上,左2右2的情況是最可能的,這5種分布的微觀狀態數可以用排列組合算出來,分別是1、4、6、4、1。

那如果這個盒子里有20個分子,還是把盒子分成左右兩個部分,那就可能有左0右20,左1右19……左19右1,左20右0這么多種情況。其中,左10右10的情況下,微觀狀態數就有 C_{20}^{10}=184756 種了。哇好大啊!才區區20個分子,在微觀下它們跑來跑去、鍛煉鍛煉身體,就有將近二十萬種狀態。

實際上,生活中隨便弄一點氣體,它的分子量級都可能在10^23這么多,這么多分子所對應的微觀狀態數得大到什麼程度啊……

如果我們把分子想像成一個又一個的有手有腳的個體,那在22.4 L氣體當中,就有6.02×10^23個個體在飛翔、跳舞、碰撞、錯過……它們能組合出非常非常多種生活狀態,多到難以想像。這是多麼大的自由和快樂啊!

下面我們考慮1 kg冰可逆熔化成水的過程,冰的熔化熱取 \lambda =334 J/g 。則其熵變

\Delta S=\int dQ/T=m\lambda/T=1000 \times 334 / 273=1.22 \times 10^{3} J/K

根據玻耳茲曼熵公式,熵正比於體系狀態數的對數 \Delta S=kln\Omega

由此求得1 kg 冰熔化成水的過程,其分子的狀態數變成了原來的

\frac{\Omega_{2}}{\Omega_{1}}=10^{\Delta S/2.303 k} =10^{1.22 \times 10^{3}/2.303 \times 1.38 \times 10^{-23}}=10^{3.84 \times 10^{25}}

這么多倍。

我的媽,10的次方上面還有10的25次方……這個數真的太大了吧……每當我腦補冰熔化的微觀過程,就會想像一群H2O分子從一個禁閉的狀態突然獲得了無數自由運動的可能性,就像是老師宣布放暑假了之後同學們瘋狂沖出教室一樣,這些分子它們會不會高興得不知所措……

區區1 kg冰化成了水,就有1 kg的水分子獲得了 10^{3.84\times10^{25}} 倍的自由和快樂!

每當想到這些有的沒的,我就覺得微觀的世界真是不可思議。

我要是能變成個分子的話,變個啥子好呢?真愁人……


東林文狸:

看了評論區各位大佬的討論,就我現在的知識水準有很多理解起來還是費力的,寫這個回答也是有感而發,至於我的假設是對是錯,等我系統地學習過之後再自己體會吧,謝謝大家辣!\(≧▽≦)/

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光的三原色啊。

為什麼是三原色呢,因為普通人視錐細胞的光譜吸收曲線只有三種類型啊。

可是四色視者呢,這個對於我們來說很尋常的規律,還適用么?

比普通人多0.99億種顏色到底是什麼感覺?

在CIE標准色度系統下的他們,會不會一直疑問,為什麼顯示屏中和書本上呈現的世界和真正的世界完全不一樣?難道其他人感覺不出來嗎?

那該是一個多美的世界啊。

可我窮盡一生都沒有辦法想像。

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至於為什麼對顏色耿耿於懷呢~

因為我爸是個紅綠色盲患者,這是他在沒有我和我媽陪同下買的沙發:

emmmmm他說是個很高級的顏色(微笑)

或許他們眼中的世界也別有一番色彩吧~

所以一直很好奇,一千個讀者眼中有一千個哈姆雷特。

那是不是一千個人眼中就有一千個世界呢?


Italian Cannon:

評論區的某幾位大佬好厲害,我害怕

瀉葯。剛學完量子強答一個:量子芝諾效應(Quantum Zeno Effect)。簡單的說,這個效應是指持續觀察不穩定粒子可以「凍結」其狀態。

沒錯,就是你如果盯著一坨黃餅看,它就不會把你輻射致死的意思 (並不

通過觀察改變粒子的狀態這是絕對反常識的,然而在量子世界裡就能實現,是不是很神奇?


drapeaublanc:

陀螺。把陀螺固定在一個桿(或吊在一根線)頂端,陀螺橫著放,轉起來之後鬆手。陀螺不會往下擺,而是橫著進動,網上應該有很多這種「反重力」的視訊……費曼的那套講義都是很直觀的,到講陀螺的時候說這個只能用數學算,沒法理解……


更新:作者在這里向讀者和從國小國中高中的5位語文老師致歉……視訊請看這個答案:

有哪些可以用科學解釋的神奇現象?​图标

以及本題目下的這個答案的第一個動圖:

物理中有哪些不可思議(違背直覺)的事實?​图标


類似的一件事。帶電粒子在勻強磁場里會原地打轉(不考慮沿磁場方向運動),然後你加一個垂直磁場的電場會怎麼樣呢?它不會跟著電場走,而是橫著走……這個真的很反直覺,當年量子討論班的時候扯到磁場里的二維電子氣怎麼導電,這個被老師同學圍攻(捂臉)……


賤賤:

只講事實,小時候我們都知道『熱脹冷縮』

對於水來說,在4℃時(標准大氣壓下),密度是最大的,

4℃以上時,就是常規的熱脹冷縮:溫度越高,體積越大…

0~4℃時,就反常了:溫度越高,體積越小…

水的密度隨溫度變化,圖出自Quora
水的體積隨溫度變化

這個意義是極大的,

如果沒有這個反常的現象,從0~100℃水一直是溫度越低密度越大的話,

那湖裡結冰就是從底往上結,至少也是最冷的水在底部,

如果是這樣的話,水裡全部的生物都會被凍起來,

不會出現水面結冰水下能遊動的情況,

冰的密度小是一方面原因,但不是全部…

參考資料:

[1] Why does ice form on the top of a lake?

[2] When water is heated from 0 degree to 4 degree Celsius, the water contracts. Why?

[3] Properties of water

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我想做個大帥逼:

說一個看上去高大上的,很多人都知道的,但是會導致不可思議現象的:The Leidenfrost Effect,說的是冷液體接觸到溫度遠高於沸點的熱表面會形成蒸氣阻斷層,暫時阻斷冷液體的進一步蒸發。
之前就有Aorquer勇敢的喝下一口液氮,然後…..然後兩眼一抹黑住進了醫院,他是想利用萊頓弗羅斯現象,讓沸騰的液氮在相對高溫的口腔,食道和胃表面形成一層氮氣保護層,氮氣層相對低的導熱性會阻止液氮直接凍傷器官,但是!但是估計哥們嘴巴比較大,而且理論終究是理論,在密閉的口腔和食道裡面,液氮聚集在小範圍內很快就會讓萊頓弗羅斯現象失效….

萊頓弗羅斯現象當然不僅僅是紙上談兵,那位喝液氮的Aorquer肯定是太背了,10年前就有人做了比喝液氮更危險的實驗來驗證萊頓弗羅斯現象,沾濕的手指插進熔融的液態鉛之後毫髮無損,我說的其實不是流言終結者,更早的時候就有不怕死的外國人將自己的視訊發在了一個不存在的視訊網站上,可惜那時候沒有快手,可惜現在的快手主播不學物理……
上個外國友人的視訊,2007年的,比謠言終結者早了兩年…

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