如果造一台“抽气机”，把高空的冷空气吸到地面，夏天能否变凉快？ | No.511

我们都知道，

高空的空气温度比较低，

那夏天把高空冷空气抽到地面，

可以变得凉快吗？

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Q1 高空冷气能降到地面来降温吗？
Q2 为何夏天开车手会被晒黑？
Q3 刀只切豆腐会变钝吗？
Q4 人撞火车伤害一样吗？
Q5 微波炉不放东西加热的能量去哪了？
Q6 磁铁掰开为何不是两极？
Q7 铁轨旁为何铺满了石头？
Q8 药名里有盐酸是含盐酸吗？

by 小苗

答：

把高空的冷空气抽到地面，并不会让城市凉快下来。且这个搬运过程本身就会把空气加热，降温效果微乎其微，甚至会让局部更热。

问题的关键出在“搬运”这个动作上。高空空气确实冷，比如万米高空气温常在零下40摄氏度以下，但这种冷是“低压膨胀”造成的。当空气被强行压向地面，随着海拔降低，它会被越来越稠密的大气剧烈压缩。

这里涉及一个叫“绝热压缩”的物理过程。我们可以回想给自行车打气的场景——打气筒的筒壁会发热。这不是摩擦生热，而是在压缩空气时，外界对它做了功，内能增加，温度自然升高。下沉的空气就像那个被压缩的气柱。

根据大气物理学中的“干绝热递减率”，干燥空气每下沉1公里，温度会因压缩而升高约10摄氏度。当然，这只是一个理论趋势，现实中，一坨冷空气在下沉途中会不断与周围更暖的空气混合，热量迅速交换。它虽不会真的被加热成滚烫的热风，但它原本那点凉意，在到达地面时已基本被压缩的物理做功消耗殆尽。

自然界里有个现成的例子叫“焚风”。原本凉爽的气流翻过高山，在背风坡下沉时受绝热压缩影响，到达山脚时变得干热。这也是高山背风坡常出现干热河谷的原因之一。

大气本身是一个巨大的热交换体，强行在局部搬运冷空气，所耗能量往往比直接用空调制冷还多。我们与其设想从高空“快递”冷气，不如多种树增加遮荫，或耐心等一场能带走潜热的午后雷阵雨，那才是自然给城市降温的免费方式。

参考文献：

1. 盛裴轩, 毛节泰, 李建国, 等. 大气物理学[M]. 北京: 北京大学出版社, 2003.

by 柠七

Q.E.D.
Q2 为什么紫外线理论上透不过玻璃，夏天开车手还是会被晒黑？

by Berry

答：

玻璃能阻挡紫外线这句话其实只是说对了一半，玻璃确实可以挡住大部分会把你晒伤的紫外线，但是对于那些能把你晒黑、晒老的紫外线，确实阻挡不住的。

根据波长和穿透力，紫外线主要分为UVA（长波紫外线）和UVB（中波紫外线）两种。

其中UVA穿透力极强，可以轻松穿透玻璃。它能深入皮肤真皮层，导致晒黑、长斑、产生皱纹；UVB能量高，波长短，大部分会被玻璃挡在室外，它只能到达皮肤表层，可以让你在短时间内晒伤。

汽车不同位置的玻璃在阻挡UVA的能力上也有所不同，对于普通的侧窗玻璃，也就是我们开车的左右两侧玻璃，它对UVA的阻挡率极低只有30%。前挡风玻璃则是在60%~80%左右，因为它采用夹层结构，并加入了抗UV的PVB膜，防护明显更好。

所以如果想要更好的防护紫外线晒黑，给玻璃贴膜会更好哦，认准“紫外线阻隔率>99%”或“UV400”标志。

by 蓝多多

Q.E.D.
Q3 如果一把刀只用来切豆腐，并且过程当中永远不会碰到其他东西，这把刀会不会慢慢变钝，或者说，硬度级别差异如果足够大，那硬度高的东西会不会永远部磨损？

by 白猿

答：

会。之所以我们会产生硬度大的物体不磨损这样的想法，有可能是因为钻石切割玻璃这个故事中，硬度（莫氏硬度）[1]高的物体会给硬度低的物体留下划痕，反之则不行这样一个令人记忆深刻的图像。

金刚石刀头切割玻璃[2]

有趣的是，提问者把这个情景推到了极端，虽然豆腐没有所谓的硬度，但是我们还是可以直观的感受到豆腐和刀之间的“硬度”差距。我们为何不将这个继续推到极限？我相信大家都听过水滴石穿的故事，水的“硬度”和石头的硬度之间的差距是否更加显著，但是水仍然可以通过长时间的冲刷磨损让坚硬的石头发生变化，虽然这其中可能有可能有水中微粒或者化学反应的磨损，但是不可否认的是，长时间的水流的冲刷力作用也是其中一个因素。把豆腐比作水流，长时间对刀作用一定也会发生磨损，因为微观中的原子分子相互作用中一定会让硬度大的物体的表面原子逐渐被剥离。

参考文献：

1. https://baike.baidu.com/item/莫氏硬度/1605832

2. https://acedecorbath.com/blogs/news/can-you-cut-tempered-glass-no-here-s-why-you-shouldn-t-even-try?srsltid=AfmBOopxJZ3twBH6CBiBmPfJfIK2eB6NBxyVt-4_zTyrSW5bjM_OLDqV

by 小被子

Q.E.D.
Q4 一个速度50KM/小时的人撞到一辆静止的火车，和一个速度50KM/小时的火车，撞到一个静止的人时，不算二次伤害的话，瞬时造成的伤害一样吗？

by 哲。

答：

为了衡量撞击瞬间的伤害，我们得先搞清楚一件事：人和火车撞击后，速度分别是多少？

碰撞前后系统的总动量是守恒的，因此很容易列出

其中m是人的质量，M是火车的质量。碰撞前，人和火车的速度分别为 和 ，碰撞后分别为 和 。然而，碰撞前后的机械能并不守恒（除非是完全弹性碰撞），为此我们引入恢复系数

一颗钢球在碰撞前后几乎不发生形变，动能损失极小，因此它的恢复系数接近1；而现实中，人与火车相撞的恢复系数几乎等于0——我们久经锻炼的肉体还是太“脆”了，在撞上火车的瞬间会发生极大的不可逆物理形变，这也是撞击伤害的主要来源。

公式已经备好，我们首先计算“人撞火车”的情况，碰撞后火车的速度

由于火车质量远大于人， ，火车被人撞后仍然不动；而人的速度：

由于恢复系数约等于0，撞击后人也近似是静止的。在“人撞火车”情况下，人会像成熟的番茄一样“pia”一下糊在火车头上，速度变化量绝对值为50km/h。

再计算“火车撞人”的情况，碰撞后火车的速度

火车质量远大于人，因此 ，火车的速度几乎不受影响；而人的速度：

同样约等于50km/h，这种情况下，人会糊在火车头上跟着火车一起跑，速度变化量绝对值仍为50km/h。

只要火车的质量远大于人，在这两种场景中，人体瞬间承受的速度变化量绝对值就是相等的，受到的冲量也相等。根据动量定理：

假设碰撞时间 一致，人的受力和碰撞瞬时伤害也完全相同。当然，在现实中，我们在主动撞击物体之前往往会伸出手臂缓冲，运动的火车造成的后续伤害也远大于静止的火车——但无论如何，都请避免和一个质量远大于自己的物体相撞！

参考文献：

1. Schmitt, Kai-Uwe & Niederer, Peter & Muser, Markus & Walz, Felix. (2007). Trauma Biomechanics: Accidental injury in traffic and sports.

by 冰糕

Q.E.D.
Q5 如果微波炉不放食品，干加热，微波炉消耗的能量去哪了？

by 小钟

答：

微波炉空转时，消耗的电能并没有消失，而是绝大部分留在了机器内部，最终转化成了热量。

微波炉的核心是磁控管，它把输入的电能转化为频率约2.45 GHz的微波。正常烹饪时，这些微波在金属炉腔内反复反射，被食物中的水分子吸收并转化为热。

但当炉内空无一物时，微波失去了主要的吸收对象，只能在金属炉腔内来回反射。

金属内壁对微波的反射率很高，但并非完美。每次反射时，都会因金属的微小电阻产生少量感应电流，把一小部分能量转化为热能。虽然单次损耗很小，但在高频的反复反射下，炉腔内壁和玻璃盘还是会缓慢升温。

更重要的是，大部分微波在多次反射后会顺着波导管原路返回，重新进入磁控管。磁控管本身将电能转为微波的效率通常只有60%-65%左右，剩余部分本来就以热的形式耗散。当大量反射微波回流时，管内损耗进一步增加，导致磁控管温度明显上升，热量自然就积累在机器内部。

短时间空转问题不大，但长时间运行会让元件温度超出正常散热能力，加速老化甚至损坏。因此，日常使用时最好避免让微波炉空置运转。

参考文献：

1. Vollmer M. Physics of the microwave oven[J]. Physics Education, 2004, 39(1): 74-81.

by 柠七

Q.E.D.
Q6 为什么磁铁掰开一半会变成两个磁铁而不是一个南极一个北极？

by 匿名

答：

实际上，一条磁铁可以看做是由很多个微小的磁针（磁畴）头尾相连构成的。这些“小磁针”都自带一个N极一个S极，这源于电子自旋等量子特性，我们没有办法将其单独分开。在磁铁内部，这些小磁针不是杂乱无序的，而是高度有序，指向同一方向，并且是头尾相连的。

就像这样：[S→N][S→N][S→N][S→N]······[S→N][S→N][S→N]

一整列小磁针全都指向同一方向，所以你在宏观上就看到了一条一端是S极，一端是N的磁铁。

而掰开磁铁，只是将队伍分成了两部分：

[S→N]······[S→N]；[S→N]······[S→N]

你得到的依旧是两条完整的磁铁。不会得到一个单独的N或S极。

那么为什么自然界允许存在电单极子，而不存在磁单极子呢？

根据经典理论（麦克斯韦方程组）的内容，磁单极子是不能存在的。我们观察麦克斯韦方程组：

不难发现，方程中的电场和磁场是不对称的。静电场是有源场，也就是说电场线有一个起点，始终从正电荷出发，止于负电荷，所以电单极子是存在的。而磁场是无源场，磁场线总是闭合的，既没有起点也没有终点，磁单极子无法存在。经典电磁学将磁场的本质归因于电荷的运动，这也决定了在经典物理框架下，磁单极子是不存在的。

尽管有些其他的理论预言了磁单极子的存在，但我们至今都没有找到它。

by 跑马仔

Q.E.D.
Q7 为什么铁轨附近都是石头？

by Eleanor

答：

铁轨旁的那些石头，专业名称叫“道砟”。它们看似普通，其实是保障铁路安全、稳固和耐用的关键一环。

当上百吨的列车高速驶过，钢轨和轨枕会受到巨大压力。如果直接放在泥土上，重压之下很快就会下陷变形。碎石道砟能将钢轨和轨枕传递下来的巨大压力，均匀地分散到更广阔的路基上，保护轨道结构不被损坏。

石子之间的缝隙能够形成一个高效的排水系统，雨水通过这些缝隙渗入地下，防止积水浸泡软化和冲刷路基，让轨枕保持干燥避免腐烂，延长使用寿命。

紧密的碎石层能有效阻挡阳光，创造一个不利于植物生长的环境，从而防止杂草在轨道区域内肆意生长，避免植物根系破坏路基稳定性。

借助碎石的空隙和相互摩擦，可以形成天然的弹性缓冲层和声音吸收层，有效缓冲列车经过时产生的巨大振动，吸收约60%的振动能量。同时吸收噪音，保护路基的同时，也让乘客的旅途更平稳舒适，并减少对铁路沿线居民的噪音干扰。

“有砟轨道”还非常便于日常的维修和调整。铁路工程师可以通过专门的“捣固”机械，调整道砟的分布和密实度，轻松地微调轨道的水平和位置，以消除因长期运营而产生的微小变形，让轨道恢复平顺。

钢轨与车轮摩擦会产生高温，尤其是在炎热的夏天。道砟碎石间的缝隙提供了良好的通风条件，有助于热量散发，能有效减少因钢轨过热而发生胀轨、变形的风险。

参考文献：

1. https://www.52hrtt.com/tsmny/n/w/info/G1749538372597

by 蓝多多

Q.E.D.
Q8 为什么很多药品名称前加盐酸，醋酸，是成分里有盐酸吗？

by 范文波

答：

不是，里面并不含有游离的、具有腐蚀性的盐酸或醋酸。通常这些药品的有效分子是碱性或含有氨基等碱性基团的有机化合物，属于路易斯碱，可以与酸形成对应的盐。盐酸XX是XX与盐酸形成的盐酸盐，里面没有游离盐酸，只有氯离子。醋酸XX是XX与醋酸形成的醋酸盐，里面没有游离醋酸，只有醋酸根离子。

by ThymolBlue

Q.E.D.
投票 本期答题团队

柠七、蓝多多、小被子、冰糕、跑马仔、ThymolBlue

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编辑：凉渐