羽毛球飞行过程中为什么能保持羽毛一直朝后？ | No.492

我们日常打羽毛球时，

可以看到球飞行时羽毛基本都朝后，

这是怎样一个物理过程呢？

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Q1 冬天兜里装蓝牙耳机或手机可以减少静电吗？
Q2 老式钟表为什么没了电池指针还能走
Q3 云的形状受什么因素影响？
Q4 冬天皮肤干燥起皮与洗澡搓出的泥有什么关系？
Q5 天然雪花的精美图案是怎么形成的？
Q6 磁铁是怎么做出来的？
Q7 为什么人在吃辣或高温食物是容易流鼻涕？
Q8 给三十万公里长的电箱通电，上面的所有灯泡会一起亮吗？
Q9 一种介质是否均匀是否与对光的折射率差异有关？
Q10 为什么截屏过后照片像素会降低？ 
Q11 羽毛球打起来为什么永远毛朝向后面？

Q1 冬天兜里装一节干电池能减少静电，装蓝牙耳机/手机 是不是也可以

by 匿名

答：

“携带电池可以防静电”的说法，已被科学证伪。这个说法的错误在于，它认为电池的正极可以像磁铁一样“吸走”你身上多余的负电荷（静电）。实际上，电池是一个封闭的化学能转化系统。它内部的电荷移动，必须通过外部完整的导电回路（比如连接灯泡）才能定向、持续地进行。静电释放是瞬间的、高电压的单一事件，电池的化学反应无法对此做出响应。

当你拿着电池去触碰金属物体时，真正导电的是电池外层的锌皮（负极）。你、电池外壳和门把手之间形成了一个瞬间的导电路径，静电电荷通过这个路径被释放。这个过程和你握着一把钥匙去触碰门把手完全一样。电池内部的化学物质和结构在这个过程中没有参与，只是被动地提供了一个金属导体。

你可以做一个简单实验：用绝缘的塑料纸把整个电池包起来，只露出正极的“小铜帽”再去触碰。你会发现静电无法被释放，因为电荷无法通过绝缘的塑料到达作为主要导体的锌壳。这直接证明了起作用的是作为导体的外壳，而非电池本身。

真正有效的方法是：增加环境湿度（如使用加湿器）、穿着棉麻等天然纤维衣物、触摸金属前先用钥匙或墙面释放电荷。这些方法能从源头减少静电产生或确保其安全释放。

by clouds

Q.E.D.
Q2
老奶奶家的钟表二十多年了，有一次我拿下来把电池拿下来，为什么没有电池指针还能走？

by 范文波

答：

首先，奶奶家的钟表可能是一种“双系统”的挂钟。它既有电子部分，又有机械部分。这种钟表内部通常有两套独立的动力系统。

把电池卸了，钟还能动，是机械发条在起作用。老式钟表的机械发条通常是一个螺旋状的金属弹簧，安装在机芯内，通过上弦来储存能量，为钟表的运行提供动力。

平时有电池的时候，电池提供的电力驱动一个微型步进电机，这个电机带动齿轮，从而推动指针。此时的机械系统可能存在两种状态情况：一种是用电机的力量来自动给机械发条拨弦；或者是另一种，发条一直处于半满的蓄力状态，但被电子系统“锁住”或覆盖住了。取出电池后，电力消失。此时，已经被上紧的或者半紧的机械发条被释放了，它储存的弹性势能开始转化为动能，继续驱动齿轮和指针。所以会看到指针在没有电池的情况下继续走。

发条储存的能量是有限的，当这部分能量用尽之后，指针就会彻底停下来。

老式机械时钟的工作原理

by 4925

Q.E.D.

Q3 云的形状受什么因素影响？为什么风有时会使云“平移”，有时会改变云的形状？

by ☁️

答：

云的形状受众多因素影响，首先是湿度与温度分布，直接影响了云能否形成；其次是气流运动，垂直向上的强气流可以形成块状云如积云，下沉的气流可使云消散或扁平化；大气的稳定性也会改变云的状态，大气稳定性，简单说是指空气块在受到外力（如被地形推升、受热等）产生垂直位移后，其自身是否回到原状态，稳定大气中云易呈层状如层云，不稳定大气可形成塔状积雨云；地表及地形特征也能显著改变云的状态，如山脉迫使气流抬升，形成地形云如帽状云。

而风对云的形态改变差异取决于风是否均匀、是否存在湍流或风切变。均匀气流推动云整体平移，而不均匀气流会撕裂、拉伸或重塑云的形态。不同高度的风速/风向差异会拉伸、扭曲云体（如由于风速和风向剧烈变化加之大气层的冰晶形成钩卷云，可预示这两三小时内将有降雨）。这一动态过程也解释了为什么云能成为观测天气变化的直观指标之一。

by clouds

Q.E.D.
Q4 冬天皮肤干燥起皮与洗澡时搓出来的泥有什么关联吗？为什么前者是白色的屑状，后者是黑色的长条状？

by 匿名

答：

很有画面感的提问（雾），二者关联在于它们都含有我们皮肤新陈代谢自然脱落的角质细胞。但二者的成分、形成过程与形态差异较大，关键在于“混合物”的性质与皮肤的健康状态。

干燥起皮是一种皮肤屏障受损的表现。冬季寒冷干燥，皮脂分泌减少，角质层缺水缺油，结构变得松散脆弱，本应隐形脱落的角质细胞此时便会成片地翘起、脱离，形成我们看到的大量白色屑状物。它的成分较为单一，主要是干燥角质。

而洗澡时搓出的“泥”，则是皮肤正常代谢与外界环境相互作用的自然产物。“黑泥”的成分复杂得多，除了脱落的角质细胞，还混合了皮肤分泌的油脂、汗液，以及附着在皮肤上的灰尘、污染物和纤维等。皮脂、汗液等像胶水一样将这些物质粘合在一起（因此能搓成条），并于皮肤表面堆积、发生氧化等化学反应，最终形成了我们看到的灰色的（或更深颜色的）油腻的条状物。

因此，当皮肤上出现大量干燥皮屑，这实际上是在提醒你应该加强保湿修复了；而洗澡时搓出来的“泥”确实是皮肤正常工作时与环境相互作用的副产品，不过，不建议频繁、过度用力搓洗来去除“泥”，这样可能伤害皮肤健康的角质层，甚至导致皮肤变得干燥、敏感。在冬季，建议通过环境加湿、多喝水、使用温和的沐浴露以及在洗澡后及时保湿等手段锁住水分，使皮肤在健康的状况下进行工作。

by 滪旸

Q.E.D.
Q5 天然雪花❄️精美的图案是怎么形成的？

by 乔小鱼

答：

雪花的精美图案，是水分子的微观晶体结构与雪花在云层中经历的环境变化共同塑造的结果。

雪花的一切始于水分子。水分子在结冰时，会通过氢键排列成能量最低、最稳定的六角形晶体结构。这种结构一旦形成，就决定了无论雪花长成什么样，它的基本形状一定是六边形，这相当于雪花的“基因”。而真正让雪花变得精美复杂的，是它在云层中的生长过程。雪花通常由水汽直接凝华形成，在不断吸附水分子的过程中，晶体的六个角比平滑的边更容易“伸进”周围潮湿的空气中，因此能更快捕获新的水分子。这种细微优势会被不断放大，使六个角优先生长，逐渐拉出主枝，并在其上分化出更细小的分支。

与此同时，雪花在下落过程中会穿越不同温度和湿度的气团，环境条件会直接决定雪晶的生长方式：有时更倾向于形成简单的板状或柱状结构，而在特定温度和较高湿度下，则会爆发式生长出复杂的树枝状图案。

由于雪花极其微小，它的六个角在同一时刻几乎感受到完全相同的环境，因此生长始终保持高度对称；但每一片雪花下落的路径都不可能完全相同，经历的温湿度变化序列也各不一样，于是遵循同样物理规律的雪花，最终却呈现出几乎不重复的图案。

换句话说，每一片雪花，都是一段被冻结下来的大气物理过程。

参考资料：

1. Libbrecht K G. The physics of snow crystals[J]. Reports on Progress in Physics, 2005, 68(4): 855.

by 柠七

Q.E.D.
Q6 幼儿园大班小朋友问，磁铁是怎么做出来的，请问如何给他解释

by 匿名

答：

这位小朋友，这是一个非常好的问题。

磁铁的前身是一块普通的铁，比如你吃饭用的勺子。

不知道你有没有想过一个问题，如果你用力把一块铁片掰断，它会变成两小片，继续掰，会变成更小的四片、更更小的八片……你有没有想过你可以一直无限地掰下去吗，什么时候你就再也不可能把它分得更小了？答案是你掰到只剩下一个“铁原子”的时候。“原子”就像乐高积木里最小的零件，它们一个一个叠起来，形成了你看到的万事万物。

所以，普通的一块铁，就是由这些超级小的铁原子堆叠起来的。而且，每一个铁原子都是一个天然的吸力很弱的小磁铁，就像一个指南针。但是，一个铁原子的吸力太小了，根本不足以让整块铁吸在黑板上，那要如何增强它的吸力？就是要让一堆这样的指南针指向同一个方向，这样它们的吸力就会叠加在一起，形成一个巨大的吸力，这样，这些铁原子齐心协力，就能让这块铁吸在黑板上。

所以普通的铁和磁铁的区别就是：普通铁里的这些小指南针不是指向同一个方向，而是全部都乱七八糟的；而磁铁里的小指南针们全部都指向同一方向。

所以工厂里的工人是怎么制造磁铁的呢？其实本质上就是通过加热、加强磁场等方式，让本来乱七八糟排列的这些小指南针（铁原子）全部指向同一个方向，就做成了可以吸在黑板上的磁铁了。

by 叉叉

Q.E.D.
Q7 为什么人在吃饭时（特别是吃辣味或高温食物时）容易流鼻涕？

by GoForIt

答：

这是一种被称为味觉性鼻炎的生理反射。简单来说，是进食带来的强烈刺激让你的神经系统“反应过度”，误以为需要启动清洗机制，从而指挥鼻腔大量分泌黏液。

这一现象的核心在于神经反射的“串线”。当你吃辣时，起作用的其实不是味蕾，而是化学刺激。辣椒中的辣椒素会激活口腔和咽喉黏膜上的 TRPV1 受体。这个受体本质上是负责感知高温（>43℃）和疼痛的，因此大脑接收到的信号并不是“美味”，而是“这里着火了”或“这里受损了”。这个紧急信号通过面部的三叉神经传入大脑，为了应对这种潜在的“伤害”，中枢神经系统会反射性地激活副交感神经。副交感神经是鼻腔分泌的总指挥，它一下令，鼻黏膜下的血管就会扩张，腺体开始疯狂工作，分泌出大量清澈的液体（鼻涕），原本的生理目的是试图冲刷掉那些“有害”的刺激物。

高温食物也可以通过类似方式诱发流涕。口腔和咽喉的温度感受器在受到明显热刺激时，同样会通过神经反射引起副交感神经兴奋，使鼻腔血流和分泌增加。这是一种保护性反应，有助于维持上呼吸道黏膜的湿润与稳定，而并非热量直接“作用”在鼻腔上。

所以，餐桌上的这种尴尬场面，恰恰证明了你的感觉神经敏锐，且神经反射通路畅通无阻。

参考资料：

1. Raphael G D, et al. Gustatory rhinitis: a mechanism of spicy food-induced rhinorrhea[J]. Journal of Allergy and Clinical Immunology, 1989, 83(1): 110-115.

by 柠七

Q.E.D.
Q8 长30万公里（假设电流速度等同于光速）的串联电路，每一万米一个灯泡，当开关闭合时，灯是如何亮起来的？一秒以后所有灯同时亮起来？？还是从正极亮到负极？亦或反之？还是正负极同时出发亮到中点？

by 吴昊天

答：

先澄清两件事：

1.电流速度是不可能达到光速的，或者说，一切实物粒子都不可能加速到光速。目前能量最高的轻子对撞机（在斯坦福直线加速中心（SLAC））也只能把电子束加速到约10 GeV——99.9986%光速。真实电路中载流子速度很低，以家庭电路中常用的1mm²铜导线通1A电流为例，电子平均漂移速度大约只有** 0.1毫米/秒。**

事实上，接通电路时，真正以接近光速建立电路的是电磁场。（真空中电磁场传播的速度是光速；之所以接近光速是因为现在电磁场在导体内传播）

2.正极、负极不是独立在电路之外的两个点，而是嵌入在电路内的。举个例子，电池的正极(+)负极(-)之间有电势差，“外电路”中电子从(-)运动到(+)。但电池内部呢？电子只可能从(+)运动到(-)。电池内也是电路的一部分，正因为电池内的化学反应在这一小段“内电路”上建立了电动势，强迫电子逆着电势从(+)移到负极(-)，才能维持电子在回路中循环往复。但电池只是一个特例，电动势并不一定只占一小部分电路。比如，在回旋加速器里，整个电流“回路”上都有电动势的存在，根本不能区分内外电路！

你描述的情况是什么样的呢？让我们建模一下：两条三十万公里的直导线拼成一条回路，在两端建立正极和负极——那么两条导线就必有一条是内电路，也就是一个三十万公里长的“电池”（笑）。内电路中，从负极到正极，电势不断上升（设从0升到V）；而外电路中，在开关的断点两侧，电势差搬来了大量电荷积累在这里，它们形成了“抵抗电压”，使断点处的电势断崖式下跌，从V跌回了0——整个电路的电压集中在开关断点处！

接通开关后，断点处的电荷洪流般集体通过，“抵抗电压”迅速消失。但电磁作用是局域的，一个点上电势突然变化，但其他地方的电势不会立刻变化，而是导线激发出的电磁波以光速传播，电磁波到达的地方，电势才“后知后觉”地上升/下降，形成局部的电势差，驱动此地的电子运动形成电流。

所以答案是：既不是两极，也不是同时，更不是中点，而是取决于你的开关位置，从开关亮到两极！

在理想情况下，导体的电磁阻尼为0，电磁场严格以光速传播，开关同侧相邻两个灯泡亮起的时差约1/30000秒。肉眼不可能看到间隔。

by 竹铭

Q.E.D.
Q9 光通过不均匀介质时会发生散射，请问判断一种介质是否均匀是看介质中的不同物质的折射率差异大小吗？

by 匿名

答：

判断一种介质对光是否“均匀”，不只是看它有没有不同成分，还要看这些差异出现的尺度是否接近光的波长。只有当结构尺寸“恰好被光看见”时，光才会被明显散射。

光是一种波，它感知世界的“分辨率”大约是自身的波长——可见光约为几百纳米。如果介质内部的结构变化远小于这个尺度，即使内部并不完全均匀，光在传播时也只能感受到一个被“平均”后的折射率，几乎不会被打散，因此看起来是透明的。水和玻璃正是如此：分子层面并不均匀，但对光来说足够平滑。当然，这并不意味着小尺度结构完全不散射光。当结构远小于波长时，仍会发生瑞利散射，只是强度很弱，通常只有在传播距离很长、或粒子数量极多时才会显现出来，比如让天空呈现蓝色。

当结构尺寸接近或大于光的波长时，情况就不同了。此时光可以“分辨”出颗粒的存在，在折射率发生突变的边界上被明显偏转，形成强烈散射，也就是常说的米氏散射。雾、牛奶、干粉笔之所以发白，正是因为其中的微粒尺寸恰好落在这个范围内。湿粉笔变透明，则是因为水填充了原本充满空气的缝隙，大幅降低了颗粒与周围介质之间的折射率差异，使光不再被强烈打散。

因此，一种介质对光是否“均匀”是折射率差异与结构尺度共同决定的光学结果。光看到的，从来不是物质本身，而是它们在特定尺度下的“起伏”。

参考资料：

1. Born M, Wolf E. Principles of Optics[M]. 7th ed. Cambridge University Press, 1999.

by 柠七

Q.E.D.
Q10 为什么截屏过后照片像素会降低？

by 好奇

答：

截屏后照片像素降低，主要原因在于截屏获取的并不是原始图像文件，而是屏幕当前显示内容的再记录。首先，截屏的分辨率受到屏幕分辨率的直接限制。当原始照片的分辨率高于设备屏幕分辨率时，图像在显示过程中已经被缩小，截屏保存的只是缩小后的画面，因此其像素数量必然低于原图，细节也随之减少。

其次，操作系统或应用在显示图片时通常会进行缩放与适配处理，例如根据窗口大小或系统缩放比例对图像进行重新采样。截屏所保存的是经过这些处理后的显示结果，而非原始像素数据，这种重采样过程容易导致图像清晰度下降。此外，系统在保存截屏时往往会对图片进行压缩，尤其是在采用有损压缩格式时，部分图像细节会被不可逆地丢弃，从而进一步降低画质。 最后，不同设备之间的像素密度差异也会加剧这一现象。高像素密度屏幕上的图片在显示时看起来十分清晰，但截屏后的图像在其他设备上放大查看时，由于实际像素数量有限，容易显得模糊。综上所述，截屏后照片像素降低是屏幕分辨率限制、图像缩放与压缩以及设备显示特性共同作用的结果。若需要保留原始画质，应尽量直接保存或导出原图文件，而非通过截屏方式获取。

by 星空

Q.E.D.
Q11 羽毛球打起来为什么毛永远朝外？

by 匿名

答：

这是一个非常细致的观察。要回答这个问题，首先要从羽毛球的结构出发，羽毛球的设计是一个“头重脚轻”的不对称体，其前端的球头由软木或合成材料制成，体积很小，却集中了整个羽毛球的大部分质量；后端的羽毛裙质量很轻，但有效横截面积很大，且呈发散展开的姿态。这种结构使得球的重心极度靠近球头，同时使得羽毛球在飞行时羽毛部分会受到远超球头的空气阻力。

当羽毛球被击打出去后，这种差异就体现出来，羽毛球的确是被我们以羽毛向前的姿态发出去的，但由于羽毛球被击打出去（发球）时不可能笔直向前飞行，而是必定在竖直面内与水平方向有夹角，羽毛上的巨大空气阻力与球头受到的较小阻力之间的阻力差会对羽毛球的质心（集中在球头附近）形成一个反向的转动力矩——其效果乃是“扳正”，使羽毛球旋转为球头朝前、羽毛朝后的姿态，只要羽毛的阻力始终可观地大于球头，即使遇到气流干扰，这种力矩也会稳定生效，持续修正，使得羽毛球不会偏离这一姿态。简单推演还可以知道，当羽毛球在飞行过程中球头在水平面内不是正对飞行方向（侧偏）时，类似的力矩也会发挥矫正作用，使羽毛球在水平面内发生向另一侧的转动，将羽毛球飞行的方向调整到球头正对前方。而此时羽毛球对称分布的16根羽毛便会确保各个方向的受力基本均匀，避免单侧阻力过大导致偏移。（这也使得如果“杀球”过猛，即使只有一两根羽毛折断，羽毛球的飞行效果就无法令人满意了）而质量集中的头部有着较大的惯性，因此在基本稳定后可以保持向前运动的趋势，而不容易被改变，这强化了球头朝前，羽毛朝后的稳定性。

by 滪旸

Q.E.D.
投票 本期答题团队

星空、竹铭、clouds、滪旸、4925、柠七、叉叉

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编辑：凉渐