为什么你的口哨吹不响？快速入门口哨物理学 | No.484

我们常常听见其他人吹出动听的口哨声

但我们自己却很难吹的好

你知道这是为什么吗？

带你快速弄懂吹口哨背后的物理知识

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Q1 你知道北方冬天的门为什么经常被卡住吗？
Q2 为什么冬天烤火后容易感到疲惫？
Q3 打印机的是怎样工作的？
Q4 不断放屁会把沙发熏臭吗？
Q5 晕车的成因以及只带一只耳机为何能缓解晕车？
Q6 如何理解三维宇宙是有限但无界的？
Q7 吹口哨的声音是如何发出来的？
Q8 为什么许多文物不让拍照？
Q9 非牛顿流体做的矛与盾相撞会发生什么？
Q10 飞机可以依靠燃烧白兰地来飞行吗？
Q11 过安检时为什么要单独检测液体？

by 莫问

答：

木材是一种有一个特殊方向（即木质纹理方向）的材料，在这个方向上，木材无论是冷缩还是失水收缩都比其它方向明显一些。由于门板和门框/地板的纹理方向未必完全一致，冷缩和失水收缩时会导致两者之间的相对运动，引起锁舌锁孔错位以及活动面相互挤压摩擦力显著增大，造成木门难以打开。

从而，两者都是木门难以打开的原因。然而失水收缩和冷缩哪个才是主要原因？这要比较两者引起的收缩率。固然可以直接去查木材的实验数据，但作为学物理学的，一些简单的纸上估计就足以回答。

以膨胀为例来估计（收缩作为其逆过程是一样的）。膨胀过程是外力（无论是热还是湿润吸水）对抗木材本身弹性使木材变大的过程。木材膨胀的比例与驱动力/弹性回复力的比正相关。

首先估计木材的弹性，以把木材拉伸100%的压强为标志。钢铁的压强大概在200GPa左右，这是熟知的；木材比钢铁软的多，于是估计为10GPa。

经过一些计算，得知伸缩比例与驱动压强/弹性特征压强的平方根成正比。对于热驱动的膨胀，假设温度变化10度左右（因为温度变化显然大于1度而小于100度），将木材吸收的热能用于膨胀的部分换算为压强，约为10kPa,于是热胀冷缩的变化是千分之一左右。

而对于吸水膨胀，通过热力学的估计，水渗入木材的渗透压约为1MPa，于是失水/吸水的变化是百分之一左右。

因此，主因是木门的失水收缩。由于北方湿度变化比南方大得多（相较温度变化的差异而言），这也解释了为什么这一现象更常见于北方。

参考文献：

1. Lu, J., Xu, W., Xue, Y., & Xu, X. (2023). 木材热湿物性参数测试与比较 [Test and comparison of hygrothermal properties of wooden materials]. 建筑科学 (Building Science), 39(8), 160–167.

by 欧拉格朗日

Q.E.D.
Q2 为什么在冬天人烤火之后会感到疲惫，乏力，慵懒等等症状呢？

by 南方小土豆

答：

冬天烤火后，人常常会觉得浑身放松、困意袭来，这其实与多种可能的因素有关。

在神经系统层面，温暖环境会让负责放松与恢复的副交感神经变得活跃，而紧张警觉的交感神经活动减弱。副交感神经主导后，人会感到安宁、心跳变慢、肌肉松弛，困倦感随之而来。

心理上，火光的闪烁与温暖的色调会给大脑带来安全、放松的暗示，这种“被庇护”的感觉也会进一步放大困意。

此外，冬季的室外温度较低，寒冷环境中，身体为维持核心体温而进入“警觉模式”——皮肤血管收缩，减少热量散失；肌肉轻微颤抖以产生热量；心率上升、代谢加快。当你坐到火炉旁，温度骤升，皮肤血管迅速扩张，大量血液流向体表帮助散热，结果造成相对性的大脑灌注压下降，从而引发类似供血不足的症状（头晕与倦怠）。同时，身体不再需要高代谢来抗寒，能量消耗下降，从高负荷状态转为节能模式，也会让人感觉慵懒无力。

再者，烤火时，虽然体表温度升高，但受到大脑调节，身体会通过向外部散热的机制（如血管舒张），来主动降低核心体温。这个散热过程与自然睡眠前的生理过程非常相似，从而“欺骗”了大脑，触发了睡意。

如果采用传统的火塘，炭盆等取暖方式并且烤火环境密闭，氧气消耗增加或燃料不完全燃烧产生一氧化碳，还可能造成轻度缺氧，使人出现头晕、乏力、昏沉等症状。不过需要注意的是这种情况可能是轻度一氧化碳中毒的早期信号，采用木炭取暖时应确保通风良好，避免在封闭空间内长时间烤火取暖。

参考文献：

1. Crandall, C. G., & González-Alonso, J. (2010). Cardiovascular function in the heat-stressed human. Acta Physiologica, 199(4), 407–423.

2. Tan, C. L., & Knight, Z. A. (2018). Regulation of body temperature by the nervous system. Neuron, 98(1), 31–48.

3. Kräuchi, K. (2007). The thermophysiological cascade leading to sleep initiation in relation to phase of entrainment. Sleep Medicine Reviews, 11(6), 439–451.

4. Ernst, A., & Zibrak, J. D. (1998). Carbon monoxide poisoning. New England Journal of Medicine, 339(22), 1603–1608.

by 星空

Q.E.D.
Q3 打印机是如何工作的？

by 好奇宝宝

答：

无论哪种打印机，其工作流程都可以简化为接收数据，处理数据与执行打印三个步骤。根据执行打印的工作方式，常见打印机可以分为喷墨式和激光式。

喷墨打印机，顾名思义，其打印是通过喷嘴将微小的液体墨滴喷射到纸张上。喷墨方式主要有热感应式（通电加热墨水，产生气泡将墨滴“推”出）与微压电式（利用晶体通电形变，将墨滴“弹”出）。打印时，打印头在纸张上方横向移动，根据指令从特定喷嘴喷射墨滴。每完成一行，纸张便微微前进，打印头继续下一行。成千上万的墨滴精确组合，最终形成文字或照片。

激光打印机的工作原理则基于静电，其核心部件是感光鼓（由于历史上曾以含硒的材料制成，因此也因袭旧称，称为硒鼓）。它的工作过程可简化为五个核心步骤：

充电：感光鼓旋转，充电辊（gǔn）使其表面均匀布满静电荷。

曝光：激光束根据图像内容扫描感光鼓。感光鼓表面光导材料具有光敏性，在受到激光束照射后被光照的部分与鼓的导电层导通，电荷消失。没有被光照射的部分仍带电荷。形成一个看不见的“静电潜影”。

显影：带相反电荷的墨粉被吸附到感光鼓上仍有电荷的区域，“静电潜影”变为可见的墨粉图像。

转印：纸张从另一侧被送入，在通过感光鼓与转印辊间时，转印辊在纸张背面施加更强电荷，将墨粉图像“吸”到纸面上。

定影：纸张通过高温高压的定影单元，墨粉被熔化并压入纸张纤维。因此，刚打印出的纸张是热的。

图源网络

by 滪旸

Q.E.D.
Q4 一直坐在沙发上放屁，沙发会变臭吗？

by 匿名

答：

这个问题味真足。就正常人的屁来说，你几乎不可能真正把沙发垫子腌入味，反正我失败了。

人的屁的臭味组分主要有含硫化合物、含氮化合物等，通常浓度在 量级。对于胃肠胀气的人，取硫化氢为典型组分，浓度可到达 。而沙发垫子主要由聚氨酯或聚酯纤维构成，没有与这些气体高效强力结合的官能团。

对于吸附过程，我们用常见的朗缪尔吸附模型，它指出吸附率为

即便是长时间的浸在屁味里，达到了吸附平衡，取活性炭和硫化氢的 , ，得到 ，这太小了，根本不足以使得沙发永远变臭。尽管如此，长时间的汗液浸泡、皮屑脱落，微生物的滋生还是会使得沙发变味，但绝对不止因为你放了屁。

所以你不太可能把沙发垫子“腌”入味，但是入味是有可能的，因为沙发的疏松多孔结构所带来的物理吸附能够比化学吸附储存更多的臭气。我们就假设通过奇妙过程导致沙发的孔隙里充满了屁。屁的释放遵循菲克定律

数值求解一维方程。由于正常人是坐下来放屁再起身，事实上沙发内部屁还会被稀释，立刻( )凑近( )闻，还会再稀释 倍左右。遗憾的是，这距离其嗅阈 还差的太远，你还是能够闻到一晚上的工作。但是只要有一点点通风，经过了十个小时，浓度也能顺利降到原来的 倍，对于大多数屁的组分来说，这低于嗅阈了，根本闻不到。

所以说，充气一整晚，沤味十小时，居然不臭了，对于爱干净的各位网友来说，自然不必担心~

参考文献：

1. Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). (2017). Toxicological profile for hydrogen sulfide. U.S. Department of Health and Human Services.

by zbl

Q.E.D.
Q5 为什么戴单只耳机可以缓解晕车？晕车不是视觉上给大脑传递错误信息造成的吗？

by 卖乐乐的

答：

结论是：戴单只耳机确实可能缓解晕车，但关键不在“耳机治病”，而在它巧妙地转移了大脑注意力。

晕车的根源，之前的问答栏目已经详细解答，这里就不在赘述啦No.474的Q1在此基础上，我们思考那耳机能如何“干预”呢？研究显示，晕动症不仅与感觉冲突有关，也与注意力分配有关。听音乐是一项需要认知加工的活动——大脑要处理节奏、旋律、歌词等多层信息，从而占用部分注意资源。这样一来，大脑留给“冲突信号”的计算能力减少，主观不适感随之减轻。

而“单只耳机”的效果，可能来自其“不对称的刺激方式”。一只耳朵听音乐，另一只耳朵仍能感知车辆的真实环境声，这种混合听觉输入增加了大脑的整合负荷，进一步起到“分散注意”的作用。虽无确切实验数据，但该假说与“认知干扰”减轻晕动症的模型相符。

当然，这种方法并非治本。若想真正缓解晕车，仍建议保持视线稳定、适当通风，或在必要时使用药物。单耳机缓解晕车，更像是一场精妙的“心理战术”——让大脑忙起来，就不晕了。

参考文献：

1. Bos, J. E., Bles, W., & Groen, E. L. (2008). A theory on visually induced motion sickness. Displays, 29(2), 47–57.

2. Keshavarz, B., & Hecht, H. (2014). Pleasant music as a countermeasure against visually induced motion sickness. Applied Ergonomics, 45(3), 521–527.

by 柠七

Q.E.D.
Q6 如何理解三维宇宙的有限但无界？地球球面的二维类比似乎不能让我理解三维情况

by 匿名

答：

这涉及到了拓扑的知识。我们从小教授的空间都是平直的，也即满足勾股定律的空间。但是事实上这只是空间（不管是二维，三维，乃至更高维）的一种特殊情况。有无数种弯曲的空间存在。我们一般认为我们的宇宙是一个有限但没有明显边界存在的三维空间（这里先不考虑四维时空）。我们一般无法想象弯曲的三维空间是因为弯曲的三维空间至少也需要内嵌于平直的四维空间中。我们只能够通过弯曲的二维空间类比到弯曲的三维空间。

大家可以在身边找一张纸和一个球。纸的单面就是一个平直的二维空间（注意是纸的单表面而不是这张纸本身）。同样的球，以及我们的地球表面是一个弯曲的二维空间。这里说的表面大家可以想象成球上印图案的表面，而不是我们生活的地球表面（我们生活在三维空间中，不是二维的地球表面）。

换到三维空间的情况可以参考《从一到无穷大》这本书中的例子：想象两个削了皮的像橡皮泥一样的苹果，我把它们压到一起，使得这俩个苹果都没有表面露在外面，每一处表面都与另一个苹果紧紧贴合。这就是一个弯曲三维空间的例子。

by 灵境

Q.E.D.
Q7 为什么通过改变气流和嘴型，嘴巴就能在吹口哨的时候，刚好吹出来脑袋里想的音乐调调？

by

答：

我们先来解释一下吹口哨的原理。要吹响一声口哨，需要空气振动和声音放大两个步骤。当从嘴里吹出的高速气流进入到流动缓慢的空气中时，会因为受到其阻力而形成湍流。如图所示，湍流中存在的小涡旋会扭曲气流的运动轨迹，让其发生波动——这就是口哨声的来源，它实际上是空气的振动。

气流经过狭缝形成湍流示意图[1]

然而这种振动发出的声音频率有高有低，为什么我们能吹出来音调单一的声音呢？这里口腔就起到了很重要的作用。口腔说到底就是一个形状和体积可以变化的空腔，当某个频率的声波的波长恰好能够在口腔中经过多次反射后形成驻波时（即声波的频率等于口腔的固有频率），这个特定频率的声波振幅就会被放大，而其他频率的声波则不会，于是我们就只能听到这一个音调了。所以，口腔在这里就相当于一个具有滤波功能的谐振腔，我们通过改变口腔的形状和体积，来改变其固有频率，从而改变口哨的音调。

至于为什么我们能吹出脑子里想的调调？这是因为当你吹出一声口哨时，这个声音会立刻反馈给你的大脑，大脑对这个声音与预期的声音进行比对，再向嘴巴发出指令，微调其形状，直到你吹出想要的声音。而当你熟练了之后，这个反馈就形成了一种无意识的肌肉记忆，从而让你产生一种“所想即所听”的神奇的感觉。

参考文献：

2. 赵凯华,罗蔚茵.新概念物理教程.力学[M].高等教育出版社,2019

by 叉叉

Q.E.D.
Q8 为什么有一些文物可以拍照，只是不能开闪光灯；有一些文物不能拍照？

by 茉立

答：

经常逛博物馆的小伙伴应该都知道在博物馆拍照时不能使用闪光灯，是为了防止文物受到光损伤。原因是闪光灯发出的是一种高强度、瞬间的可见光，其中还含有不可见的紫外线和红外线。这些光线，对文物来说是“隐形杀手”。它们会引发并加速许多材料的劣化过程，尤其是丝绸、书画、古籍等包含有机材料的文物。目前在全国登录的文物数量中有大量对光特别敏感的文物，所以很多博物馆都会要求拍照时禁止使用闪光灯。

但是叽里咕噜说了这么多，都是闪光灯会对文物造成损伤，而拍照行为本身好像并不会伤害文物，那为什么还有一些文物却完全不让拍照呢？这就得从博物馆的角度去考虑了。首先是版权问题与特展协议，许多博物馆举办的特别展览，其展品是从其他博物馆或私人收藏家处借来的，出借方在协议中可能明确禁止对展品进行拍照或录像，以保护自身的知识产权和商业利益（如画册、明信片的销售）。其次，出于安全与秩序的考虑。对于一些“明星”文物，如果允许拍照，很容易造成游客聚集围观、长时间驻足，这不仅会阻塞通道，影响其他游客的参观体验，还可能引发安全隐患。然后就是一些承载着厚重历史意义和丰富历史信息的文物，出于对历史和文化的尊重，博物馆可能会禁止拍照。

总结一下，无论是否允许拍照，博物馆的这些规定并非是为了限制我们，而是为了更好地保护我们人类共同的文化瑰宝，让我们能够在更好的氛围下欣赏它们。我们作为参观者，遵守这些规定既是对人类文化遗产的尊重，也是在为后人能够同样欣赏到这些瑰宝而贡献力量。

by LogicMoriaty

Q.E.D.
Q9 用非牛顿流体做的矛扎非牛顿流体做的盾会怎样？

by 林叶泉

答：

这将是一场极不寻常的对决。想要看清它的结果，我们得先认识这种“会察言观色的液体”。

非牛顿流体的黏度并非常数，而是会随着外界施加的剪切速率而变化。像玉米淀粉水溶液在轻轻搅动时会温顺地流动，而受到猛然拍击时却会瞬间“锁死”，硬得像石头——这就是典型的剪切增稠效应。与之相反，牙膏、油漆等则属于“剪切变稀”流体，越快挤压反而越容易流动。

现在假设矛与盾都由这种剪切增稠型材料制成。当矛缓慢靠近时，流体处于低剪切状态，二者都柔软无力，彼此会像两滩浆糊般陷入对方；而当矛高速撞击时，情况就完全不同——碰撞瞬间，接触面处的应变率急剧上升，矛尖与盾面同时感受到巨大的应力。根据牛顿第三定律，这一作用与反作用是同步的，于是矛尖和盾面几乎同时发生剪切增稠反应，局部迅速变硬，像两块被瞬间冻结的凝胶正面相撞。

然而，这种“瞬间固化”并非真正的坚固，而是一种脆性的短暂结构。高速冲击下，巨大的能量无法完全被形变吸收，最终会在接触点集中释放，使得矛尖和盾面同时碎裂、飞溅，像一朵流体的爆花。

这场“非牛顿之战”没有胜负，只留下短暂的僵硬与崩解。它提醒我们：“坚硬”与“柔软”并非物质的绝对属性，而是自然在不同速度和应力下展现的两种面貌。

参考文献：

1. Barnes, H. A. (1999). The rheology of colloidal and polymeric liquids. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 81(1-2), 133–178.

2. Brown, E., & Jaeger, H. M. (2014). Shear thickening in concentrated suspensions: phenomenology, mechanisms and relations to jamming. Reports on Progress in Physics, 77(4), 046602.

by 柠七

Q.E.D.
Q10 为什么有些电影大片中飞机没有油的话会给飞机加白兰地？

by 云

答：

电影中之所以会出现飞机没油时加入白兰地的情节，其根本原因并不在于科学上的可行性，而在于它为电影叙事服务的戏剧性功能。这是一个为了塑造角色、制造戏剧张力而设计的桥段。在生死攸关的绝境中，主角们利用手边唯一的资源来对抗坠机的命运，这种行为本身象征着人类面对困境永不放弃的求生本能，极大地迎合了观众的情感期待，剧情的重点在于其本身所体现的英雄主义，而非是否符合物理定律。

这种情节的创意来源，很可能是因为对航空历史的一种片面理解和技术误读。历史上，酒精确实曾被用作一些高性能飞行器的燃料，例如突破音障的贝尔X-1或二战时期的Me 163彗星战斗机。然而，关键的区别在于，这些飞行器使用的是火箭发动机，它们自带氧化剂，其工作原理与电影中常见的客机或螺旋桨飞机所使用的吸气式发动机完全不同。

从科学和工程学的角度来看，这一行为是完全不可行的，甚至会引发灾难性后果。白兰地约含60%的水，其能量密度极低，根本无法提供维持飞行所需的推力，其高含水量反而会影响燃烧。对于螺旋桨飞机，白兰地会导致空燃比失调和熄火；而对于现代喷气式客机，缺乏润滑性的乙醇会立即摧毁高精度的燃油泵，而大量的水分则会在高空低温下迅速结冰，堵塞整个燃油系统。因此，这个桥段只是一个假想情节，在物理定律下完全不成立。

参考文献：

1. Heywood, John. "Internal combustion engine fundamentals." (2018).

by 一毫

Q.E.D.
Q11 为什么过安检时液体还要再单独检测？

by 某月

答：

这要从安检仪的原理说起。安检仪利用X射线工作，X射线具有穿透性，由于不同密度的物质对于X射线的吸收能力不同，X射线穿透它们的能力存在差异，X射线在穿过行李后会发生不同程度的衰减，穿过行李后的射线会被接收器接受并转换为电信号，这些电信号随后经过计算机系统的转换处理变为图像，在屏幕上重建出包含形状与密度（以颜色差异表现）的行李图像信息。你也许已经看出问题所在了，这样的安检机只能识别出物品的密度差异，因此像以金属等与其他物品密度存在明显差异的材料制作的物品结合特征形状便可以被轻易识别是否危险。但对于液体来说，安全的液体（例如水，3.98℃下密度为1g/ml）和危险的液体（例如易燃的酒精（乙醇），20℃下密度为0.7893g/ml，同样易燃的正丙醇20℃下密度为0.804g/ml）之间密度的差异并不大，因此在安检机里是无法被区分的。

你也许见过这种“危险液体检测仪”作为对X光安检机的补充，这种机器利用“准静态计算机断层扫描技术”，检测放入其中的液体的介电常数与电导率，利用这些数据对于不同液体不同的特性，判断出液体是否为危险液体。

图源网络

当然，目前的危险液体检测仪操作都相对繁琐，并且一次只能检测一瓶液体，在客流量较大且需要快速通过的实际应用情况下明显存在着缺陷，因此，大多数情况下，针对“可疑”液体最便捷也最实用的检测方法是：“来，喝一口～”

by 滪旸

Q.E.D.
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本期答题团队

zbl、灵境、叉叉、LogicMoriaty、一毫、柠七、滪旸、欧拉格朗日、星空

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编辑：凉渐