为什么不同的喵身上有形色迥异的花纹？| No.403

今日份猫好人思考
为什么各种猫猫的花纹毛色
都各具特色呢？
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1.小孩子站在水龙头前，望着水流问道：水为什么不能撕开（左右两边掰开）呢？
2.为什么一个热热的锅滴下一滴水，水会像球一样滚动？不热的锅为什么不会？
3.为什么话筒中传出的的声音不像人原来的声音？
4.为什么充满空气的气球被扎破会爆，装满水的气球则只会从小孔中缓缓泄水？
5.地磁暴是怎么预测的？
6.蒸包子的时候，用多层的笼屉，到底是上面先熟还是下面先熟?
7.人体为什么会有磁场？是怎么生成的？
8.为什么有些物质像玻璃，金刚石能透光，是光子从原子的缝隙中穿过去的吗？
9.奶牛猫脸上的花纹为什么常呈现为某种不可描述的形状？
10.贝壳上各种各样的花纹是怎么形成的？


Q1 小孩子站在水龙头前，望着水流问道：水为什么不能撕开（左右两边掰开）呢？

by 敏莹

答： 水作为一种常见的液体，与一般的固体相比它的流动性更大，容易发生形变且无法承受拉力和剪切力，所以我们没有办法用手将它掰开。拉力和剪切力都是使物体产生延伸的力，当外力作用在液体上时，液体会产生一定程度的变形，这就是液体无法承受拉力和剪切力的原因。从微观角度来看，液体分子在平衡位置上振动一段时间后，还能移动到其他位置上振动，分子间距比固体大，分子间作用力比固体小，使得液体分子可以在液体中移动，这解释了液体具有流动性。 by Sid Q.E.D.

by 匿名

答： 这是因为水滴底部接触热锅的部分瞬间蒸发形成水蒸气，水滴被上升的蒸气带动，从而像球一样滚动。这种现象统称为莱顿弗罗斯特效应，在工程上叫做膜态沸腾现象。徒手触液氮（液氮温度为零下196℃）也是利用这个原理（注意保持手部足够干燥，笔者不建议尝试！）。 由于锅的温度很高，所以水滴下部的液态水可以迅速蒸发，形成一层水蒸气薄膜从而托举住上面的液滴，同时这层水蒸气的传热系数比较小，阻止了剩下液滴的蒸发，从而使得上层液滴部分保留下来。这层蒸汽膜使得液滴与锅之间没有摩擦力，因此能顺畅的滑动。可以用这个原理做不粘锅煎蛋，先将锅烧到足够热，然后在不加油的情况下直接打入鸡蛋，水蒸气薄膜会托举着鸡蛋不粘到锅底上，煎蛋可以在锅中随着锅的倾斜角度而来回滑动直到煎熟。 而不够热的锅因为其温度无法使得液滴瞬间蒸发，所以不能形成稳定的水蒸气薄膜层。又因为一般的锅的表面对于水是浸润的，因此水滴会在锅的表面扩散开来，只会被烧干而不能形成滑动的水珠。浸润是指液滴会在固体表面铺展开来，就是水珠挂壁。与之相对的概念是不浸润，是指水滴在荷叶上的滚动行为。有些场景下会用一些特殊的表面处理工艺做出不浸润的表面，这种表面的性质叫疏水性，不粘锅就是把锅的内表面做了特殊处理后变成疏水表面，形成不粘的特性。 by opzk Q.E.D.

by 匿名

答： 这个问题笔者也被困惑过，自己明明唱歌唱的这么好听，不知道为什么扬声器里出来的声音和自己心里的差别这么大！手动狗头。说回主题，为什么话筒中传出的的声音不像人原来的声音？其实这个问题一个物理名词就可以解释——音频失真。解释音频失真前，先了解一下数字信号系统的工作流程： 数字信号(音频)系统的工作流程 | 《数字音频原理与应用》 大家可以把x(t)理解成你进入话筒里声音，而y(t)就是从扬声器里面传出的声音。而这两者之间的过程就是数字音频系统处理过程。音频失真就可以定义为声音在传输过程中与原有声音或标准相比所发生的偏差。并且上图中的任何一个环节都可能会出现音频失真！而对于音频失真的不同情况我们可以简单对其分类，以下我们把音频称为信号。 频率失真：对频率不同的信号放大量不同导致的失真。 幅度失真：对频率不同的信号放大量不同导致的失真。 相位失真：对频率不同的信号，经放大后产生的时间延迟不同导致的失真。 怎么解决音频失真呢？其实在实际的情况中，音频信号失真的状况比较复杂。但解决方法无外乎以下两点：一从硬件上提高收音设备和放音设备的质量，二选取合适的数字信号处理软件(算法)。 Tips(个人经验，仅供参考）：如果有人说你“唱歌不好听”，你就可以反驳：不是我的问题，是这设备音频失真太严重啦！ 参考资料： 《数字音频原理与应用第四版》Ken C.Polmann 著，苏菲译，电子工业出版社 2002年 2月出版. 尤毅.浅析数字音频系统失真[J].现代电视技术,2013(01):142-146. by just_iu Q.E.D.

by 匿名

答： 首先，小鱼本人非常疑惑题主所描述的现象。充满空气的气球被扎破的确会爆掉，但是，装满水的气球被扎破应该并非缓缓的泄水。如下图所示，一个装满水的气球被工字钉扎破后，气球本身会立即爆掉，而气球中的水会因为惯性在气球爆炸的一瞬间保持原状，随后再因为重力坠落。当然，如果气球在装满水之前就被悄悄地扎破一个小口子，那么装满水后，气球并不会立即炸开，而是缓缓泄水。 图源： 气球爆炸的原因和里面充满的是什么介质有很大关系。装满空气或其他气体的气球被扎破时发生的“爆炸效应”，是由于气体分子在气球内部受到压缩，拥有较高的压力。当气球的橡胶材料被刺穿，这种高压下的气体就会迅速朝低压区域（即气球外部的大气中）扩散，造成气体迅猛流出，橡胶材料也因此迅速扩张并撕裂，从而产生“爆破”声响。 而有小口子的气球装满水后，情况则大不相同。水是不可压缩的流体，它在气球内部并不会像气体那样存储大量的压力。当气球被扎破时，水只会从小孔中受重力作用而流出，速度相对较慢，因为水本身的流动性导致它不会像气体那样迅速扩散。同时，水的流出并不会导致气球材料的急剧扩张和撕裂，因此不会产生爆炸性的效果。 by 鱼非我 Q.E.D.

by 茂茂猪

答： 在回答地磁爆怎么预测之前，先给大家介绍一下什么是地磁爆。地磁暴是指地球磁场受到外界因素(主要是太阳表面活动)的强烈干扰而产生的全球性现象。例子：太阳黑子、耀斑等剧烈活动所产生的太阳风中有着大量的带电粒子流，当到达地球附近后，会导致地磁场发生剧烈变化。 太阳风 | 百度百科 我们可以通过地磁监测数据来“定义”地磁指数，即描述某一时间段内地磁扰动的总体强度或某类磁扰强度的分级指标。而地磁指数可以分为两大类：第一类描述地磁活动的总体水平，而不考虑地磁扰动具体类型的指数，比如Kp指数。第二类为了描述特定类型磁扰或特定区域磁扰而设计的指数，比如Dst指数。 既然我们定义了地磁指数，我们就可以通过地磁指数来预测地磁暴。 Dst指数：通过测量地球磁场水平分量的变化H(nT)来预测和反映地磁暴的强度。 Kp指数：即全球磁场指数，通过检测每三小时地球磁场活动的情况来预测和反映地磁暴的强度。 目前对于地磁暴的研究还在不断进行中(中国科学院国家空间科学中心的科研人员在大气密度和焦耳加热变化关系研究基础上，进一步加入地磁Dst指数和AE指数与大气密度变化的特征分析，建立了综合的地磁暴大气密度修正函数)。希望未来我们能更加准确的预测好地磁暴从而减少其对我们生活的影响！ 参考资料： 总装备部电子信息基础部．太阳风暴的监测与预报．北京．国防工业出版社．2012 by just_iu Q.E.D.

by 匿名

答： 如果你去问一名初中生这个问题，他会说水蒸气受热上升，到达顶部时会遇冷液化，同时释放大量热量，所以上层会先熟。然而如果你去问一名经验丰富的面点师傅，他会毫不犹豫地告诉你是下层先熟。 曾经有一些节目为了得到准确的答案做了相关的实验，最后发现无论是熟度还是温度都是下层略胜一筹。 实际上，这是由于热的水蒸气在上升的过程中会不断地损失热量，虽然在顶部遇冷确实会放热，但上层吸收的热量仍没有下层多。那为什么会有上层包子先熟的说法呢？这实际上是已经"倒笼"过了，下层熟得差不多的包子被商家调到了最上层，然后在最底层再换上新的一屉，这就让顾客产生了上层先熟的误解。 参考资料： by Sid Q.E.D.

by HanawaYo

答： 磁场其实无处不在，不仅人体有磁场，地球、汽车、集成电路都有磁场。可以说，这个宇宙就没有完全没有磁场的地方（超导的完全抗磁性先按下不表）。 图源：国科大《半导体自旋电子材料与器件》课程 人体的磁场大概在10^(-10)T，非常微弱，但确实是有的。材料中磁的最终来源是电子的自旋，电子的自旋是电子的内禀属性，就是说电子的自旋是本来就存在的，无法让其不存在，有电子的自旋就会产生磁场，只不过如果自旋产生的磁矩方向正好相反而抵消，或者各个方向的磁矩都有而相互抵消的话，就没有剩余的净磁，在外面看起来就像没有磁场一样。 一般认为人体的磁场主要来源于三部分:生物电流，体内其他强磁物质的剩余磁场，生物磁性材料的感应磁场。 生物电流就是人体在生理活动中，体内带电离子发生流动，从而形成的电流。我们知道电可以生磁，比如通电螺线管可以看成一个条形磁体，因而生物电流是人体磁场的主要来源。 体内其他强磁物质的剩余磁场是指某些强磁性物质进入到了人体组织器官。这些磁性物质（例如粉尘）原本在外加磁场作用下被磁化，外加磁场去掉后而产生剩余磁场。 生物磁性材料的感应磁场是说组成人活体的物质具有一定的磁性，称为“生物磁性材料”。这种材料在地磁场及其他外界磁场的作用下便产生感应磁场，这种磁性的本质是来源于体内电子的自旋。 其实不光是人体有磁场。2000年，安德烈·海姆(Andre Geim)博士利用抗磁性使无尾蛙悬浮在半空中从而获得了搞笑诺贝尔奖。1997年，安德烈·海姆进行了一项名为“悬浮青蛙”的有趣实验。在这个实验中，他和他的同事使用一台超强的磁体，产生一个极其强大的磁场，使得放在磁场里面的青蛙悬浮起来。因此，只要磁场足够强，人体也可以悬浮起来。对细节感兴趣的同学可以看下面的文献。 参考资料： M. V. Berry and A. K. Geim, Of Flying Frogs and Levitrons, Eur. J. Phys. 1997, 18, 307-313. by opzk Q.E.D.

by 正态分布

答： 光照射到物质表面时，光会与物质内的带电粒子发生相互作用。一方面，带电粒子的存在使物质内部与真空不同，对光的传播产生一定的影响：物质表面或界面折射率发生突变，会引起光的折射和反射。另一方面，带电粒子对光的吸收则是影响物质是否透明的主要因素。 吸收光子的通常是电子，也可能是声子(晶格振动模式)。电子在物质内部的能量状态不是任意的，而是处在特定的能量范围内，我们称之为能带，如下图所示: 能带之间的能量范围称为带隙，带隙中不允许有电子存在。如果光子能量大于带隙宽度，光子可以被电子吸收，电子会发生跃迁，价带的电子将跃迁到导带，这称为带间光吸收。如果物质的带隙比较大，大于可见光波段的光子能量，那么可见光通过物质时不会有带间光吸收，这正是诸如玻璃、金刚石透明的原因。 此外，晶格振动也会吸收光子，但这类吸收一般在红外波段，对可见光没什么影响。 参考资料： 黄昆. 固体物理学[M]. 高等教育出版社, 1988. by 利有攸往 Q.E.D.

by 加菲猫

答： 家猫身上皮毛花纹（如斑纹）是由于不同色素细胞的色素蛋白合成情况不同而产生的。这种合成情况的不同源于复杂的基因表达调控机制。比如玳瑁猫的毛色源自体细胞中x染色体选择性失活，同时细胞间相互作用也会影响花纹的图案。 猫咪的色素细胞会产生两种色素，分别是真黑素和褐黑素。真黑素可以吸收几乎所有的光线，产生黑色色素沉着；褐黑素可以反射红橙黄范围内的光线，默认的情况下表现为红色。所有猫咪的毛色都是基于这两种色素及二者的变体所展示出来的。 参考资料： by Sid Q.E.D.

by 闵小戴

答： 在海边捡拾到色彩鲜艳的贝壳是一件令人愉悦的事情，贝壳的化学成分主要是碳酸钙，是软体动物从水和食物中吸收相应离子后，由外套膜的边缘细胞分泌形成的。 细细观察，贝壳上面还有丰富的花纹。这些杰作是怎么来的呢？ 从物理角度看，贝壳生长时，会受到外部张力和内部压力的作用，使得贝壳表面形成特殊的纹理，如波浪状、螺旋状等。从化学方面看，贝壳与周围的水分、矿物质等发生作用，这些反应也会在表面形成特殊的纹路，从而使贝壳具有更独特的外表特征。 贝壳的花纹是由生长过程中一系列复杂因素所决定的。贝类的遗传基因、生活环境、生长速度以及受到的压力等，都会对其表面的花纹产生影响。 by Serendipity Q.E.D.

鱼非我、Sid、just_iu、Serendipity、opzk、利有攸往

#上期也精彩

编辑：Gyoku

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