神州二十号遇到的太空碎片为何能一直飘在太空中？ | No.486

神州二十一号载人飞船顺利发射

神州二十号却因太空碎片延迟返航

这些太空碎片为什么能一直漂浮而不坠落呢？

问答导航
Q1 吉他为什么按紧才能发出响声？
Q2 激光打印机与喷墨打印机有什么区别？
Q3 蓝牙耳机靠近手机时音调会不会变高?
Q4 大货车为什么后轮凸出前轮凹陷？
Q5 蚊子被电蚊拍打为什么会掉头？
Q6 拉伸一根铜棒会怎样产生断点？
Q7 为什么相机需要镜头前后移动才能变焦？
Q8 为什么纸作的绳子放入水中会使水向上流？
Q9 太空碎片为什么不会掉落地球？
Q10 为什么用显微镜时常常看到自己的睫毛？

by 匿名

答：

在回答这个问题之前，我们先进入物理的世界，看看拨动琴弦的一瞬究竟发生了什么？

众所周知，声音是由振动产生的，但是声音也有不同。用手指敲击桌子，桌子受力振动传导给空气形成声波，响声转瞬即逝，无影无踪。与之形成鲜明对照的是当我们拨动琴弦时，形成的乐声婉转悠扬，余音绕梁。

这两者的不同之处就在于桌子受击打之后自由振动，能量迅速散失，最终振动停止。而琴弦的两端分别被上弦枕和下弦枕所固定（以空弦为例），当波传播到端点时产生反射，与先前的波叠加，形成驻波。波的能量仿佛被“禁锢”在了端点之间，损耗很慢，因而经久不息。

对弦线上的驻波来说，振动长度越短音调越高。为了调节音高，乐手要把手指放到指板不同的“品”上，并且将手指紧紧压到品丝的前端，确保琴弦压到品丝上。这也是为了减弱端点的振动形成驻波，不过这时驻波的两端变成了下弦枕和品丝。

如果手指没有用力压紧，那么一方面琴弦在品丝端的反射会减弱，不利于形成稳定驻波，另一方面琴弦振动时将会带动柔软的肌肉组织运动，使能量迅速耗散，用于带动空气振动发声的能量减少。这样一来，琴声就会微弱而沉闷，同时因为没有达到预期的振动长度音高失调。所以在弹吉他时一定要按紧琴弦，才能奏出美妙的乐章。

by des

Q.E.D.
Q2 激光打印机和喷墨打印机有什么区别？

by 匿名

答：

激光打印机：激光打印机使用碳粉和硒鼓，通过静电吸附和高温定影成像。其最大优点是打印黑白文档时速度极快，文字边缘锐利清晰，单张打印成本低廉。由于耗材为固态粉末，即使长时间闲置，也不易堵塞，开机即用，维护简单。因此，它非常适合打印量大的办公室、商务用户或需要大量文稿输出的学生，是追求效率与可靠性的理想选择。

喷墨打印机：喷墨打印机通过微小的喷头将液态墨水喷射在纸上形成图案。其核心优势在于彩色打印效果出色，色彩过渡自然，能高质量地输出照片和图像，且初始购机成本通常较低。缺点是墨水可能因长期不用而干涸，导致喷头堵塞，维护成本较高。它主要定位于家庭用户、摄影爱好者或需要频繁进行彩色打印的小型工作室，是彩色创作的得力工具。

参考资料：

1. 刘永利.激光打印机的基本结构和工作原理(上)[J].家电检修技术,2012,(04):23-24.

2. 刘永利.激光打印机的基本结构和工作原理(下)[J].家电检修技术,2012,(06):23-24.

by clouds

Q.E.D.
Q3 戴蓝牙耳机听音乐，靠近手机时音调会不会变高（多普勒效应）？

by 明

答：

并不会。

多普勒效应确实存在于蓝牙信号的传输过程中。当手机与耳机发生相对运动时，耳机接收到的无线电波频率会因该效应而产生微小偏移。

然而，耳机与手机之间传输的并非原始音频信号，而是先将声音转换为由0和1组成的数字信号。与此同时，手机的蓝牙天线会产生一个特定频率的无线电波，再通过数字信号对其进行调频或调幅，将音频信息加载到电波上。

在无线电波通过空气传播的过程中，多普勒效应确实会导致接收频率与原始发射频率不一致。当耳机接收到这一电波后，会通过自动频率控制等机制实时补偿频率偏移，接着从校正后的电波中提取出数字信号，并最终将其还原为声音。

由于整个过程中所传递的始终是同一组数字信息，因此最终还原出的声音音调不会发生任何变化

by ly16

Q.E.D.
Q4 为什么大货车前轮胎轮毂凸出，后面的轮子是内凹的？

by 匿名

答：

首先，货车前后轮拆下来，其实是一样的：一面轮毂突出，一面内陷。最大的区别在于后轮的双式车轮。

与负荷基本均匀的客车不同，货车70%的质量都压在后方，而前轮只承载驾驶室。那么后车轴上每一侧安装两个车轮就很有优势了，它有效地分摊了巨大压强，即使一个轮胎爆掉（一般是内胎），另一个轮胎也能勉强让货车拖到安全地带再修理，增大轮胎接地面积还能应付崎岖道路，可谓一举三得。

但问题是，车轴上并不是挂四个轮胎就可以撒手不管了。由于重心在后方，货车要后轮驱动以减小阻力矩（力矩是使物体旋转的物理作用，离转轴越远，力矩越大，如果以前轮为轴，重心较远，重力的阻力矩就会很大），所以后轮轮轴要装载驱动系统和刹车装置；类似的，前轮是控制中心，轮轴上要安装转向系统和刹车系统。总之：轮轴就那么长，你看着办吧！

因此，前轮的单轮和后轮的内胎，都选择把凹面朝内，以节省十分紧张的轮轴空间。而后轮是双轮结构，如果外轮也向内，那么内外轮紧紧嵌在一起，时常相互挤压，会使爆胎风险猛猛上升。所以最好的方式就是外轮凸起部分向内，把不怕摩擦的硬轮毂接在一起。

综上，从外侧看起来，就是大货车前轮外凸，后轮内凹。

by 竹铭

Q.E.D.
Q5 为什么蚊子被电蚊拍打了会转圈？

by 老鼠头

答：

这是一个涉及物理学和生物学的问题。 我们先从物理上思考为什么会转圈，正常飞行的物体如果要产生旋转，那么一定是受到了会使其发生旋转的力矩，对蚊子来说，这种力矩最可能来源于它的翅膀，当两翅产生的推力不对称，就会产生这种力矩。

而这种不对称显然不是自发的。

电蚊拍内部会产生瞬时的高压。当蚊子接触到电蚊拍内外两层电网时，会形成通路，高压电会以极快的速度击穿蚊子的体表，使电流流经它的身体。我们都知道，微弱的生物电流是传递神经信号的载体，而上述强大的电流会“淹没”蚊子自身的神经信号，导致其全身肌肉瞬间进入一种被动收缩的状态，甚至摧毁其神经系统。多数情况下，蚊子在接触电网时并不是完全对称的，所以它一侧身体受到的刺激可能比另一侧更强，而这种不对称的刺激使其两侧翅膀产生的推力不平衡，就会产生一个使其旋转的力矩。

另一种可能则是电击导致其一侧的翅膀脱落或完全丧失功能，只有另一侧的翅膀提供推力，那么也会产生一个扭力矩。就像我们在影视剧中所看到的，当战斗机的翅膀被击碎，它会旋转着坠落到地上。

然而并不是所有的蚊子在被电击后都会旋转。如果蚊子恰好以一个对称的姿态接触电网，那就不会产生明显的旋转。另外，在很多时候高压电会使蚊子直接碳化死亡甚至破碎，就更别说转圈了。

by 跑马仔

Q.E.D.
Q6 拿一根铜棒往两边拉伸，断点位置是随机的还是有规律的？

by 匿名

答：

总的来说，铜棒断裂的位置虽然宏观看起来是随机的，但其实是有非常明确规律的。它几乎必然会断在整根棒材上最薄弱的那个横截面上。

任何一根真实的铜棒都不会是绝对完美的。它在宏观上可能存在极其微小的几何差异，比如某个位置的直径稍微细了一点；或者在微观上存在材料缺陷，比如内部的晶体结构不均匀或混有杂质。当铜棒被拉伸时，这个最薄弱的位置会承受最大的应力，因此它会最先撑不住。

对于铜这种延展性很好的金属，这个过程会通过一种叫做“颈缩”的现象被急剧放大。一旦那个最薄弱的点开始屈服，它会迅速变细，形成一个“脖子”。这个“脖子”一旦出现，就会陷入一个继续断裂的循环：横截面积变小导致压力剧增，压力剧增又导致它变得更细。所有的变形都将集中在这个点上，导致断裂被牢牢锁定在了这个位置。

因此，断裂的宏观位置在哪一段断开是由这个最弱点决定的，这是有规律的。唯一的随机性体现在那个已经被锁定的“颈缩”区域内部：在微观尺度上，是哪一个微小的杂质或晶格缺陷点燃了导火索，这是随机的。但这个微观的随机性，已经无法改变断裂将在最弱点发生的这个宏观规律。

本回答的讨论建立在理想物理模型上，实际中，夹持方式、拉升方式以及拉升速度等，都会影响断裂的具体过程，从而断裂位置可能有特定的统计规律。与之对应的有一门学科叫做材料断裂力学，目前有很多科学家在从事其研究。

参考资料：

1. Zapara, M., et al. “A study of ductile damage and failure of pure copper–Part I: Constitutive equations and experiments.” Technische Mechanik-European Journal of Engineering Mechanics 31.2 (2011): 132-155.

2. Yasnikov, Igor S., Alexei Vinogradov, and Yuri Estrin. “Revisiting the Considère criterion from the viewpoint of dislocation theory fundamentals.” Scripta Materialia 76 (2014): 37-40.

3. Zhang, Jinxu, et al. “Influence of strain rate on mechanical behaviours of gradient-structured copper.” Materials Transactions 61.4 (2020): 708-717.

by 一毫

Q.E.D.
Q7 为什么相机的变焦需要镜头前后移动，而手机不用移动镜头也能变焦？

by 茉立

答：

传统相机的变焦属于真正的光学变焦，而手机的变焦方式更为多样，既包括有限的光学变焦，也包含数字与算法融合的“混合变焦”。两者的原理和实现方式并不相同。

在相机中，变焦是通过镜头内部多组透镜沿光轴前后移动来改变焦距，从而调整视角与成像比例。这种移动由马达精确控制，结构复杂，因此镜头在变焦时会明显伸缩。

手机由于空间极为有限，难以容纳这种长行程的镜组系统。多数手机摄像头配有音圈马达，可以在固定焦段内微调焦距，用于自动对焦，确保画面清晰，而非大范围变焦。为了实现更宽的变焦倍率，手机通常采用两种方式：一是数字变焦，通过裁剪并放大画面中心区域模拟拉近效果；二是混合变焦，利用多颗不同焦距的摄像头（如主摄、长焦、潜望镜）协同工作。这个过程算法起到关键作用：它要对多镜头拍摄的图像进行几何配准、色彩校正和超分辨率融合，使画面在切换焦段时保持连续且清晰。部分采用潜望式结构的手机，会通过棱镜折叠光路，在机身内部实现一定范围的真实光学变焦。

因此，手机的变焦是光学、机械与算法的综合产物。与传统相机“靠移动镜片改变焦距”不同，手机更多依赖“镜头与计算”共同实现变焦效果。

参考资料：

1. Hecht, E. Optics. 5th ed. Pearson Education, 2016.

by 柠七

Q.E.D.
Q8 为什么将用卫生纸卷上成的绳子一端放入水中，水会沿绳向上“流”？

by 路人甲

答：

经典的毛细现象！

各种各样的分子之间都存在吸引力（准确的说，分子相隔没有特别近到以至于要贴在一起的时候），作用力的具体大小取决于分子的类型。对于水分子来说，水分子之间相互吸引，尽可能让水向内收缩成球形（表面积减小），因此在边缘地带的水分子就会受到沿表面的拉力，这就是表面张力。

但是，如果水和另一个介质（空气、金属、塑料等）接触呢？对于边缘的水分子来说，它既受到内部水的吸引，又受到边缘处介质分子的吸引。如果介质的吸引占据优势，也就是说，介质是亲水的，那么水就会放弃收缩，而是尽可能和介质“贴贴”——从一颗水珠变成一滩水趴在介质表面，这时就说，水浸润了这种介质；反之，如果一种物质，水宁可收缩也不想和它贴近，我们说水不浸润这种物质。比如，仔细观察玻璃杯中的水，一眼看是平的，但边缘明显向上弯曲。因为玻璃是亲水的，水试图克服重力贴在玻璃上（可惜贴不得）。这种力只作用在水和玻璃的交界线上，和边界线的长度成正比；但是重力则和水的体积成正比，体积=面积x高度，由此推知：水面越宽阔，玻璃把水往上拉的高度就越低。

水是一种极性分子，正电荷（氢）和负电荷（氧）的中心离得比较远，因此，带有极性的介质更亲水（正负相吸的静电作用）。而卫生纸的主要成分--纤维素带有大量的极性亲水基团：羟基（-OH）。因此，纤维素具有极强的亲水性。（不然人类为什么会用植物纤维做卫生纸呢w(ﾟДﾟ)w）另一方面，纤维素是大分子，由百万个葡萄糖分子（每个葡萄糖带3个羟基）彼此交联，形成网状的构。这给水分子留下了密密麻麻的细小毛孔，这些毛孔的直径细到了分子级别，狭窄的水面使得黏附力能轻松克服重力，让水尽可能向上填满空隙，以求和更多的纤维素贴在一起，从外面看，就是水沿着卫生纸上升。正是毛细现象。

另外，把卫生纸拧成一股绳，实际上是增加一些较大的孔隙。孔径小虽然有助于克服重力，但是弯弯曲曲的水道和过多的岔路都要用水填满，这个过程会消耗水分子的能量；如果有一些比较大的孔道，水柱上升的动力就会更充足。

by 竹铭

Q.E.D.
Q9 神舟二十号返回因为太空碎片延迟了，请问这些碎片为什么会一直飘在太空，而不会因为摩擦力坠落？

by 范文波

答：

11月5日神州二十号疑遭空间微小碎片撞击，神二十返回任务推迟进行，这则新闻不禁让我们心头一紧。那么这些空间微小碎片为何会一直飘在太空之中，不会像地球上的物品一样坠向地球。

首先，我们先了解一下太空碎片是如何绕地球运动的。我们先考虑一个绕着地球运动的质量为m的小物体，地球质量为M，有m≪M，物体受到地球的万有引力作用，这个引力提供了物体绕地球运动的向心力，为了简化讨论，我们假定物体处于理想的真空中，绕地球运动的轨迹为圆形，运动速度为v，物体距离地心的距离为r，此时万有引力等于向心力，有 ，解得环绕速度的公式为 ，空间站高度约为400 km，地球半径约为6371 km，此时r 约为 6771 km，代入速度表达式中，太空碎片以约7.7 km/s的极快速度绕地球飞行，地球的引力刚好作为向心力用来弯曲它的路径，使其做圆周运动，而不是把它拉回地面。这样看来，只要有足够的速度，各种太空碎片都会像卫星一样绕地球运动，不会坠落。

实际上，我们地球空间站所在轨道处并不能完全视为真空，其实400km并未完全脱离大气层的范围，只是这个高度下空气非常稀薄，约为正常大气的万亿分之一，几乎可以忽略。考虑这些稀薄的空气，那么太空碎片其实是受到了空气阻力的。根据流体力学，空气阻力为 ，其中 为阻力系数（取决于物体的形状）， 为大气密度，A为碎片垂直于速度方向的截面积，v为物体相对于大气的速度，在这个问题中可近似认为是物体的轨道速度，则减速加速度为 。假设一块太空碎片质量为1kg，面积为0.01 m²，在400 km高度，速度为 ，阻力系数取2，大气密度取 ，此时代入得受到的摩擦力约为 N，减速加速度约为 。这个摩擦力极其微小，需要花费数年甚至数十年的时间，才能让太空碎片其速度显著降低，从而轨道衰减并最终坠入稠密的大气层中，这个过程太过漫长，所以我们可以近似认为太空碎片会一直飘在太空，不会坠落，所以也可以叫做“太空垃圾”。

经过前面的计算，太空碎片的速度巨大，如果与人造卫星相撞，会像子弹一样轻易损坏卫星，所以我们的神州二十号返回前疑似遭到太空碎片撞击，推迟返回是出于安全的考量。希望神州二十号及其乘组人员能够平安归来。

by endlesscliff

Q.E.D.
Q10 为什么用显微镜、测量头等器材，常能看见自己的睫毛？如何才能避免？

by 匿名

答：

你在显微镜或测量头里看到的“睫毛”，并不是仪器成像的一部分，而是你的睫毛真的进入了光学系统的视野。换句话说，是“身体的一部分参与了成像”。

显微镜的目镜会形成一个叫“出瞳”的位置，也就是光线汇聚后进入眼睛瞳孔的区域，通常离目镜几毫米到十几毫米。如果你的睫毛靠得太近，进入了这个区域，就会遮挡或散射部分光线，在视野中形成弯曲、半透明的暗影。每当眨眼或头部微微移动时，这些影子也会轻轻晃动，看起来就像“飘在视野里的睫毛”。

反射式测量设备或数字显微镜中也可能出现类似情况。这类仪器常用环形照明或强反射光源，当面部靠得太近时，睫毛的阴影或反射光可能直接进入成像通道，被传感器记录下来，出现条纹或伪影。若佩戴眼镜，显微镜的出瞳光线还可能在镜片表面发生反射或折射，睫毛对这些反射光的遮挡也会形成阴影，因此即使睫毛未直接伸入出瞳区域，也可能被看到。

简而言之，这是一种由睫毛遮挡或反射引起的杂散光效应。保持适当距离、优化照明、使用护目罩或取景罩隔开面部，或通过屏幕观察，都能让显微镜的视野重新干净。

参考资料：

1. Hecht, E. Optics. 5th ed. Pearson Education, 2016.

by 柠七

Q.E.D.
投票 本期答题团队

ly16、des、灵境、竹铭、clouds、一毫、跑马仔、endlesscliff、柠七

往期也精彩

编辑：凉渐&4925