假如雪糕足夠冷，吃它會(huì)不會(huì)反而消耗能量？ | No. 510

聽(tīng)說(shuō)吃1支雪糕=跑17圈？

那雪糕得多低溫度

才能抵消它帶來(lái)的熱量？

問(wèn)答導(dǎo)航
Q1 為什么綠色是“安全”，紅色是“危險(xiǎn)”？
Q2 為什么屁股是涼的？
Q3 為什么感覺(jué)肥皂難洗掉？
Q4 為什么普通玻璃在暗處倒影清晰？
Q5 為什么無(wú)線充上存在可擦去的特殊形狀？
Q6 為什么熱水比冷水結(jié)冰快？
Q7 小明能不能用實(shí)驗(yàn)判斷絕對(duì)封閉且平穩(wěn)高鐵的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？
Q8 理論上要吃多低溫度的雪糕才能抵消其熱量？
Q9 為什么吹風(fēng)機(jī)能在短時(shí)間里出熱風(fēng)？
Q10 一滴水有沒(méi)有可能浮起萬(wàn)噸游輪？
Q11 假如陽(yáng)光是絕對(duì)平行光，我們還能不能看到太陽(yáng)？

Q1 為什么往往綠色表示“安全”，紅色表示“危險(xiǎn)”？是自然進(jìn)化選擇的結(jié)果嗎？

by 小布

答：

紅=危險(xiǎn)、綠=安全，不是寫(xiě)在基因里的“硬編碼”，而是人類視覺(jué)生理+進(jìn)化偏好+社會(huì)約定三件事疊加出來(lái)的結(jié)果。

先看底層“硬件”。人眼在明亮環(huán)境下對(duì)綠光最敏感，這一波段正好對(duì)應(yīng)自然界最常見(jiàn)的背景——植被。換句話說(shuō)，綠色是我們長(zhǎng)期適應(yīng)的“默認(rèn)底色”，亮度高、分辨輕松，看久了也不累。大腦在這種環(huán)境下更容易維持平穩(wěn)狀態(tài)，這就是為什么綠色常被感知為“安全、正?！?。

再看紅色。紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)，在空氣中不容易被散射，霧天、遠(yuǎn)距離都更顯眼。從物理上講，它天然適合做“必須被看見(jiàn)”的信號(hào)。更關(guān)鍵的是，在演化環(huán)境里，血液、火焰、某些高能量果實(shí)都呈現(xiàn)紅色——它們不一定都危險(xiǎn)，但都“很重要”。久而久之，大腦會(huì)優(yōu)先處理紅色刺激，甚至牽動(dòng)像杏仁核這樣的情緒中樞，讓你更警覺(jué)。注意，這是一種“更容易被觸發(fā)”的傾向，不是看到紅就一定恐懼。

真正把這套感覺(jué)固化為規(guī)則的，是現(xiàn)代社會(huì)。交通燈、警示標(biāo)識(shí)反復(fù)使用紅停綠行，是因?yàn)閮烧邊^(qū)分度高、紅光更醒目、綠光更適合長(zhǎng)時(shí)間注視。一旦這種編碼被大規(guī)模訓(xùn)練，大腦就會(huì)形成條件反射：看到紅先緊張，看到綠再放松。

所以你在路口踩剎車(chē)，不只是遵守交規(guī)——是視覺(jué)系統(tǒng)的物理特性、遠(yuǎn)古經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)，在你腦子里完成了一次“聯(lián)名”。

參考資料：

1. Goldstein E B. Sensation and Perception. Cengage Learning, 2014.

by 檸七

Q.E.D.
Q2 為什么屁股是涼的？

by 白云問(wèn)酒

答：

中國(guó)有句俗語(yǔ)，“熱臉貼冷屁股”——事實(shí)上，臉和屁股的溫度的確有差異，這是它們不同的生理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。

圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

首先是脂肪堆積。臀部堆積著人體最厚的皮下脂肪，而脂肪的熱導(dǎo)率很低，因此內(nèi)臟和深層肌肉的體溫被死死地“捂”在了里面，導(dǎo)致熱量很難傳到屁股表面的皮膚上。此外還有表面供血的因素。臀部的大血管埋在深處，皮膚表面附近的毛細(xì)血管也較少，因此熱量也很難通過(guò)血液循環(huán)，從身體內(nèi)部傳到屁股表面。

人體不同部位的皮膚溫度[1]

而人臉則恰恰相反，人的面部脂肪層很薄，還有著豐富的毛細(xì)血管。為了給大腦和頭部維持溫度并散熱，頭面部的血液循環(huán)極其旺盛；較薄的皮下脂肪，讓溫暖的血液很容易把熱量傳導(dǎo)到皮膚表面。研究顯示，頭頸部是人體皮膚表面溫度最高的區(qū)域，約為33~35℃，而臀部/大腿區(qū)域溫度在32℃左右。看來(lái)所謂“熱臉貼冷屁股”并非虛言，而是勞動(dòng)人民對(duì)生活經(jīng)驗(yàn)的精準(zhǔn)總結(jié)~

參考資料：

1. Lee CM, Jin SP, Doh EJ, et.al. Regional Variation of Human Skin Surface Temperature. Ann Dermatol. 2019 Jun;31(3):349-352.

by 冰糕

Q.E.D.
Q3 為什么有時(shí)候肥皂特別難洗掉？是水的問(wèn)題還是肥皂的問(wèn)題？

by J.S.fan

答：

一個(gè)巴掌拍不響，是二者共同的問(wèn)題（狗頭保命）。相信很多人都有過(guò)這種體驗(yàn)：用肥皂洗手之后，手總是滑滑的，像是沒(méi)沖干凈。這種“滑滑的東西”其實(shí)是肥皂和水中的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的一種不溶性物質(zhì)。

當(dāng)水中的礦物質(zhì)含量較高時(shí)更容易發(fā)生這種情況，這種水就是所謂的硬水，水硬度的簡(jiǎn)單定義是水中溶解的鈣和鎂的含量。硬水含有高濃度的溶解礦物質(zhì)，主要是鈣和鎂。

而肥皂是動(dòng)物脂肪在堿作用下水解（皂化）產(chǎn)生的長(zhǎng)鏈脂肪酸鈉鹽或鉀鹽的混合物，傳統(tǒng)肥皂可簡(jiǎn)化表示為脂肪酸鈉鹽，和硬水中的鈣離子和鎂離子反應(yīng)生成不溶解的硬脂酸的鈣鹽和鎂鹽 ：

這種反應(yīng)產(chǎn)物不溶于水，會(huì)附著在皮膚表面，造成滑滑的、沒(méi)洗干凈的感覺(jué)。先回答到這，我去洗手了。

參考資料：

by Java

Q.E.D.
Q4 鏡子能成像，玻璃也能反光，為什么普通玻璃白天看不清倒影，晚上關(guān)燈后倒影卻特別清晰？

by 匿霜行川止

答：

普通玻璃在夜晚能映出清晰的倒影，主要是因?yàn)椴Ａ蓚?cè)的光線強(qiáng)度對(duì)比發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。

任何普通透明玻璃都具備此光學(xué)屬性：讓絕大部分光透射，同時(shí)在表面反射剩余能量的光。在白天，室外的自然光照度極高。當(dāng)你站在室內(nèi)看向窗戶，玻璃依然忠實(shí)地反射了室內(nèi)的光線。但從室外穿透進(jìn)來(lái)的光線強(qiáng)度，往往是這層反射光的成百上千倍。這就好比在人聲鼎沸的集市里輕聲細(xì)語(yǔ)，你的聲音（反射光）被龐大的背景噪音（透射光）完全淹沒(méi)，視覺(jué)上自然就看不清倒影了。

到了晚上，情況發(fā)生反轉(zhuǎn)。室外失去強(qiáng)光源，透射進(jìn)來(lái)的光線變得微乎其微。此時(shí)如果室內(nèi)亮著燈，玻璃反射回來(lái)的那小部分室內(nèi)光線，就成了進(jìn)入你眼睛的主要光信號(hào)。就像在安靜的空房間里，一聲輕嘆也能被清晰捕捉。更重要的是，人眼并非一臺(tái)死板的測(cè)光儀，它的靈敏度會(huì)根據(jù)環(huán)境光動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。雖然身處亮燈室內(nèi)的你并未真正進(jìn)入“夜視模式”，但視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)“暗背景下的亮度反差”更敏銳。當(dāng)缺乏室外強(qiáng)背景光的壓制與干擾時(shí)，這百分之幾的微弱反光，就足以在暗背景的強(qiáng)力襯托下被眼睛輕松捕捉，呈現(xiàn)出清晰的倒影

相比之下，真正的鏡子之所以隨時(shí)能照出清晰的畫(huà)面，是因?yàn)?strong>它背面鍍有一層不透光的金屬膜。這層膜徹底阻斷了透射光，無(wú)論白天黑夜，你看到的都只有純粹的反射光。

說(shuō)到底，玻璃表面的反射從未停止。它只是在白天被明亮的外部世界所掩蓋，又在夜幕降臨后，借著室內(nèi)的燈光重新顯露了出來(lái)。

參考資料：

1. 理查德·費(fèi)曼,羅伯特·萊頓,馬修·桑茲.(2013).《費(fèi)曼物理學(xué)講義（第1卷）》.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.

by 檸七

Q.E.D.
Q5 為何無(wú)線充會(huì)有這個(gè)磁鐵形狀的印記？用手可以擦去？

by 匿名

答：

從圖片中，看到這個(gè)污漬是有特殊分布的。從熱力學(xué)的統(tǒng)計(jì)分布來(lái)說(shuō)，這樣特殊的分布在狀態(tài)空間中處于幾率非常小的位置，好比猴子隨機(jī)敲出了《莎士比亞》。因此一定是有特殊機(jī)制導(dǎo)致了這個(gè)現(xiàn)象。那么再結(jié)合這個(gè)是磁吸充電裝置，位置剛好對(duì)應(yīng) Qi2 / MagSafe 類磁吸無(wú)線充內(nèi)部的磁鐵環(huán)，說(shuō)明這很可能是磁鐵環(huán)把灰塵/金屬微?！拔背鰜?lái)形成的印記。最后提到手動(dòng)可以擦除，則再次加強(qiáng)了這個(gè)判斷。網(wǎng)上也有灰塵增加了線圈距離，并引入了不均勻的間距導(dǎo)致的充電器效率下降的報(bào)告。

參考資料：

by 小被子

Q.E.D.
Q6 為什么熱水結(jié)冰，有時(shí)反而比冷水更快？

by 霜行川止

答：

在特定條件下，熱水確實(shí)有可能比冷水更快結(jié)冰。這在物理學(xué)上被稱為“姆潘巴效應(yīng)”。但它并不是一條普適定律，而是多種物理機(jī)制在特定環(huán)境中碰巧疊加出的結(jié)果。

為什么起跑慢的熱水能追上進(jìn)度？首先是蒸發(fā)帶來(lái)的微小“減重”。熱水在降溫初期，表面水分蒸發(fā)的速率略快于冷水。雖然實(shí)際損失的水量很少，但這意味著熱水最終需要凝固的總質(zhì)量有一定程度的減少，完成結(jié)冰所需散發(fā)的熱量也隨之降低。

其次是對(duì)流與降溫路徑的差異。熱水降溫時(shí)內(nèi)部溫差大，會(huì)形成持續(xù)的自然對(duì)流，就像有一把無(wú)形的勺子在緩慢攪動(dòng)，將內(nèi)部熱量穩(wěn)步送到表面。相比之下，冷水降溫到4°C附近時(shí)密度達(dá)到最大，冷水下沉容易造成水體分層。這相當(dāng)于給內(nèi)部水體蓋了一層薄薄的流體毯，反而讓冷水的整體散熱效率略微放緩。

此外，還有一些常常被忽略的現(xiàn)實(shí)變量。比如熱水通常經(jīng)過(guò)加熱，內(nèi)部溶解的微量氣體逸出，這會(huì)在微觀層面影響冰晶的成核過(guò)程。再比如，如果把杯子直接放在結(jié)霜的冷凍室里，熱杯底會(huì)融化周?chē)谋屓萜髋c冷源接觸得更嚴(yán)實(shí)，局部導(dǎo)熱效率隨之升高。

正是因?yàn)檎舭l(fā)、對(duì)流、溶氣量以及接觸面導(dǎo)熱等眾多微小變量的共同干預(yù)，熱水才在某些特定測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了反超。換個(gè)杯子或者改變一下冰箱風(fēng)向，這個(gè)現(xiàn)象可能就不復(fù)存在了。

參考資料：

1. 趙凱華, 羅蔚茵. 新概念物理教程：熱學(xué)（第二版）[M]. 高等教育出版社, 2005.

by 檸七

Q.E.D.
Q7 設(shè)小明在絕對(duì)平穩(wěn)、密閉且勻速行駛的高鐵里不知道自己所在的高鐵在勻速行駛，那小明能不能用任何的物理實(shí)驗(yàn)判斷自己所在的高鐵是靜止還是在運(yùn)動(dòng)？

by 霜行川止

答：

答案是不能的。

這個(gè)有趣的問(wèn)題背后是一個(gè)深刻的規(guī)律：相對(duì)性原理。一句話來(lái)概括，就是物理定律在所有慣性參考系中，形式完全相同。你無(wú)法通過(guò)任何物理實(shí)驗(yàn)，來(lái)區(qū)分這個(gè)參考系本身是“絕對(duì)靜止”還是在做“勻速直線運(yùn)動(dòng)”。

什么是慣性系呢，就是指牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，其中不受外力作用的物體將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

而小明所處的環(huán)境就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的慣性系：絕對(duì)平穩(wěn)，即在除了列車(chē)運(yùn)行方向以外的任何自由度上都沒(méi)有加速度；密閉，即看不見(jiàn)窗外，失去了外部參照。所以在這種情況下，無(wú)論他做什么實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都與在靜止的車(chē)廂里完全一致。

by 跑馬仔

Q.E.D.
Q8 有一天在路上看見(jiàn)冬天還在賣(mài)雪糕，有端聯(lián)想，既然雪糕溫度很低，吃到人體內(nèi)后會(huì)吸收人體的熱量去融化它，但是雪糕本身也會(huì)有一定的能量，所以就理論而言我們大概吃多低溫度的雪糕才能抵消雪糕里的能量？

by 啟航

答：

很有意思的問(wèn)題，可以用能量守恒算一算，先說(shuō)結(jié)論：我們不可能靠“把雪糕做得更冷”把它的熱量完全抵消，即使把雪糕冷到液氮溫度也只抵消一小部分熱量。下面展示關(guān)鍵數(shù)據(jù)、公式和計(jì)算過(guò)程。

吃下一份質(zhì)量m的雪糕時(shí)，人體要把它從初始溫度 加熱到體溫 攝氏度，并把其中冰的部分融化。近似把雪糕當(dāng)作“半固體”處理，所需吸熱（由人體提供）為 其中c是雪糕的比熱（凍結(jié)/接近凍結(jié)時(shí)取約 ） 、L是雪糕的有效熔化潛熱（約 ）。

雪糕化學(xué)能（我們常說(shuō)的“卡路里/食物熱量”）以100g雪糕約Efood≈200kcal為例，換算為焦耳： （每 100 g）。

若取 m=0.1 kg，采用 ， 代入計(jì)算：

1. 若雪糕 ℃ （常見(jiàn)保鮮箱溫度），則 相比于食物能量 8.36×10^5J，只抵消約4.1%。

2. 若雪糕極冷， ℃ （干冰表面附近），得到 ，抵消約6.0%。

3. 若用液氮溫度 ℃ ， ，抵消約 9.8%。

若要求完全“抵消”，根據(jù)公式 ，代入典型值會(huì)得到極端的負(fù)溫（例如約 ），顯然不現(xiàn)實(shí)——這相當(dāng)于要求材料冷到絕對(duì)零度以下，物理上不可能。

綜上，雪糕變得再冷，也不能把它的化學(xué)能（卡路里）完全靠吸熱來(lái)抵消（即使到達(dá)絕對(duì)零度）；常見(jiàn)冷藏溫度下抵消比例極小（約 4%）。

參考資料：

by 靈境

Q.E.D.
Q9 吹風(fēng)機(jī)是什么原理？為什么會(huì)在這么短的時(shí)間內(nèi)吹出熱風(fēng)？

by A student

答：

簡(jiǎn)單地說(shuō)，吹風(fēng)機(jī)的原理是電熱絲的“力大磚飛”和風(fēng)扇的“強(qiáng)制對(duì)流”。吹風(fēng)機(jī)的核心部件有兩個(gè)：風(fēng)扇和電熱絲。風(fēng)扇負(fù)責(zé)吸入新鮮的冷空氣，并強(qiáng)迫冷空氣穿過(guò)熾熱的電熱絲，形成強(qiáng)制對(duì)流，極大提升了空氣和電熱絲之間的熱交換效率。電熱絲近似是一個(gè)純電阻電路，幾乎全部的電能被轉(zhuǎn)化為熱能，其加熱功率為：

別看電吹風(fēng)體積不大，電功率卻很大：一般能達(dá)到1千瓦以上，甚至比一些小型空調(diào)更大！這些電能中大部分被電熱絲用于加熱空氣，因此，吹風(fēng)機(jī)能夠持續(xù)吹出大量熱風(fēng)，吹干我們頭發(fā)上的水分。

by 冰糕

Q.E.D.
Q10 一滴水有沒(méi)有可能浮起萬(wàn)噸巨輪？

by 安昊洋

答：

這個(gè)問(wèn)題根據(jù)我們中學(xué)時(shí)所學(xué)過(guò)的知識(shí)，物體所受的浮力等于其排開(kāi)的水的重力，只與排水量有關(guān)而與總水量無(wú)關(guān)。所以很少的水也可以浮起很重的物體。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我們只要一個(gè)和巨輪完全契合的容器，然后讓一滴水鋪開(kāi)，覆蓋住巨輪的表面。這雖然在現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)，但理論上是可以做到的。

這只是對(duì)阿基米德原理的一種理想實(shí)驗(yàn)，意在幫助我們更好地理解浮力的本質(zhì)。

但是較真地來(lái)講，以上都是我們從宏觀的視角去考慮這個(gè)問(wèn)題，它在微觀角度卻有著意想不到的情況。我們必須考慮，一滴水能否覆蓋得住一艘巨輪。那么我們就需要計(jì)算一滴水如果完全平鋪開(kāi)來(lái)，也就是只有一層水分子，它的面積有多大。按一滴水0.05毫升來(lái)計(jì)算（水分子直徑約為2.8埃，保持水分子間氫鍵不斷裂，最大分子間距可達(dá)3.5埃），那么一滴水鋪開(kāi)的面積大約在180平方米，這顯然是無(wú)法覆蓋一艘萬(wàn)噸巨輪的。

所以，一滴水即便是在理論上也是無(wú)法浮起萬(wàn)噸巨輪的。

by 跑馬仔

Q.E.D.
Q11 假如陽(yáng)光是絕對(duì)平行光，我們還能看到太陽(yáng)嗎？

by 匿名

答：

先說(shuō)結(jié)論：可以看到，不過(guò)只能看兩次——左眼一次，右眼一次。目前的太陽(yáng)發(fā)出的是發(fā)散光，在地球上觀察，可以視為一個(gè)面光源。光線從太陽(yáng)的不同部位射入我們的眼睛，具有微小的角度差。我們的晶狀體將這些不同角度的光線聚焦在視網(wǎng)膜上，形成了一個(gè)圓盤(pán)狀的像。

假如把太陽(yáng)當(dāng)成一個(gè)極遠(yuǎn)極遠(yuǎn)的星點(diǎn)，遠(yuǎn)到它發(fā)出的光近乎完全平行，我們還能看到太陽(yáng)嗎？讓我們復(fù)習(xí)一下初中二年級(jí)學(xué)過(guò)的凸透鏡成像：平行光經(jīng)過(guò)凸透鏡后，會(huì)聚焦在一個(gè)極小的焦點(diǎn)上。此時(shí)我們看見(jiàn)的太陽(yáng)，將會(huì)是一個(gè)極小、極亮的點(diǎn)。直視我們生活中常見(jiàn)的“發(fā)散光太陽(yáng)”，本身已經(jīng)很危險(xiǎn)了，“平行光太陽(yáng)”在視網(wǎng)膜上成像的面積要小得多，聚焦的太陽(yáng)光會(huì)迅速燒壞視網(wǎng)膜——因此，這個(gè)“平行光太陽(yáng)”，一個(gè)人恐怕只能看兩次了。

最后，無(wú)論是什么樣的太陽(yáng)，直接目視都很可能灼傷視網(wǎng)膜，大家一定不要直視太陽(yáng)喲！

by 冰糕

Q.E.D.
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冰糕、跑馬仔、檸七、Java、小被子、靈境

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