骑山地自行车的时候，为什么是“摇”着车爬坡呢？| No. 520

为什么骑山地自行车爬坡的时候，

选手们需要“摇车”加速，

而不是保持身体与自行车面水平骑行？

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Q1 为什么上楼梯感觉走z字更省力？
Q2 为什么荧光棒一掰能亮很久？
Q3 为什么有的火越吹越旺？
Q4 为什么同一物质在不同温度的水中溶解度不同？
Q5 为什么水会热缩冷涨？
Q6 为什么冰雹总在夏季出现？
Q7 火烧云是怎么形成的？
Q8 为什么山地车骑手们爬坡要“摇车”？

Q1 上一个坡度很陡宽度又很长的楼梯，为什么斜着走z字形会感觉省力？

by 多多乐乐的爸爸

答：

碰上那种又陡又长、爬到一半想骂人的楼梯，直上简直是给大腿上刑。这时候你大概也试过：身体不自觉斜过来，走成 Z 字形，忽左忽右地蹭上去，瞬间觉得腿没那么炸了。

先泼盆冷水：斜走并不省功。楼梯是一级一级的台阶，每级高度固定，你直走也好、斜走也好，每踩一级都得把身体抬那么高，上到顶必须踩那么多级，总功只看爬升高度，跟走哪条路无关。那省的是什么？是功率，靠的是步频放慢。

斜着走，路径变长了，你自然不会像直上那样急着迈步，节奏松下来。别小看这点，运动生理学有实测：同样爬一段楼梯，步频快的那组心率、耗氧量明显更高。原因有好几条拧在一起：肌肉收缩得快，能量烧得就多；步数一多，腿来回倒腾克服惯性的"内功"也大；快步频还得更用力蹬地，会多招募不经济的快肌纤维。步子一缓，这几样全跟着降，瞬时功率下来，人就觉得没那么累。

还有个可能加成的因素：斜向迈步带上了横向位移，步态比纯纵向台阶步更接近平地走路，关节发力或许更经济。不过这条目前缺直接针对"楼梯斜走"的研究，算合理推测，没敢当定论讲。

by 柠七

Q.E.D.
Q2 为什么荧光棒一掰就亮，能持续发光几小时？

by 匿名

答：

荧光棒发光的原理是化学发光。常见的荧光棒由易碎的玻璃内管和坚韧、有弹性的塑料外管组成，分别装有不同的化学溶液（比如内管装过氧化氢，外管装草酸酯和荧光染料）。当你弯掰以下荧光棒时，外层的塑料管变形弯曲，而内层的玻璃管则直接碎裂，这使得原本被隔离的两种液体混合并发生化学反应，从而触发了整个发光过程。

荧光棒发光的化学机制

内外管的液体混合后，首先过氧化氢和草酸酯发生反应，生成不稳定且能量极高的中间产物，如图中的 。当中间体与荧光染料分子碰撞时，能量传递到荧光染料（dye），使染料中的电子跃迁到激发态，同时 被切割成两个 分子。最后，染料分子恢复到电子基态，释放能量。这些能量中大部分以光子的形式释放——也就是我们看到的荧光棒发光。

荧光棒的发光速度，则与化学反应速率有关。在室温下，过氧化氢与草酸酯的反应是一个相对温和、渐进的过程。反应物分子不会在瞬间全部消耗完，而是以一定的速率持续发生反应，激发态的荧光染料分子也会源源不断地产生，从而保证光子能够持续、较为均匀地向外辐射。我们还能通过控制温度来调节反应速率和发光强度——在夏天的三亚，荧光棒会更亮，但发光时间变短；在冬天的哈尔滨，荧光棒会更黯淡，同时发光时间变长。

参考资料：

1. Kuntzleman, T. S., Rohrer, K., & Schultz, E. (2012). The Chemistry of Lightsticks: Demonstrations To Illustrate Chemical Processes. Journal of Chemical Education, 89(7), 910-916.

by 冰糕

Q.E.D.
Q3 为什么有的火焰会被吹灭 有的火焰越吹越旺？

by 安昊洋

答：

理解这个问题只需要了解燃烧发生的三要素：可燃物、助燃物（氧气）以及足够的温度。三者缺一不可。

对于火柴、蜡烛这类体积较小的可燃物，燃烧时总的能量释放是比较小的。此时当猛烈吹气时，相当于送入了一股常温的气流。这股气流会显著的降低燃烧区域的温度，使得燃烧区域温度瞬间低于着火点，燃烧就会停止。对于蜡烛这种依靠气化的石蜡蒸汽燃烧的情况，一股足够强的气流还可能使得局部的气态可燃物被吹散，这也有助于火的熄灭。

然而对于火炉、篝火或者堆放可燃物的情况，可燃物总量较大，燃烧释放的总能量很大。此时吹气所能带走的热量相对于瞬时燃烧释放的热量而言很小，不足以使得温度骤降至着火点以下。然而这类燃烧现象的共性是由于可燃物堆放导致很多可燃物并不会大范围暴露在空气中，导致与空气中的氧气接触不充分。此时在吹入气流时，会强行将大量氧气吹入可燃物的缝隙，并带走燃烧区域高浓度的二氧化碳，因此会起到助燃的效果。

by 云开叶落

Q.E.D.
Q4 为什么同一物质在不同温度的水中溶解度不同？

by 匿名

答：

首先，有一个最简洁、不绕弯子的答案：这是因为温度会影响衡量溶解反应进行程度的吉布斯自由能变化量（ ）：

其中 是溶解焓， 是溶解熵，可见温度 的变化会影响 的数值。当 时，溶解过程可以自发进行。如果溶解熵是正数（大多数固体溶质属于这种情况），那么温度越高， 越负，也就是溶解趋势越强，溶解度更大。相反，气体的溶解熵一般是负数，因此温度越高溶解度越低。

那有没有稍微“绕弯子”一点但更形象的解释？对于大多数固体，温度升高意味着水分子和溶质粒子的热运动更强，更强的分子碰撞能够更轻易地克服固体内部较强的晶格能以及水分子间的氢键，从而使原本在低温下无法脱离晶格的粒子进入溶液。因此，温度升高一般会促进固体溶解。

而一般来说，气体的分子间距极大，在溶解时不需要克服自身的分子间力。但是，当温度升高时，水溶液中的气体分子动能显著增加。高动能的气体分子更容易摆脱水分子的吸引力，重新逸出液面回到气相。因此，温度升高一般会导致气体溶解度下降。

by 冰糕

Q.E.D.
Q5 水的反常膨胀是什么原因导致的？

by 17

答：

水的氢键与原子热运动之间的竞争会导致0-4摄氏度发生热缩冷胀的反常膨胀现象，并且在4°C时水的密度最大。因为氢键使水规则排列，从而让体积变大，而温度升高在破坏氢键产生体积减小的效应的同时也有普通的热胀冷缩效应使体积变大。这个温度区间氢键的作用与热膨胀之间的竞争会导致反常，低于4°C时，氢键的作用更显著，从而升温破坏氢键让体积减小的效应占主导，高于4°C后，氢键的作用太小，只剩下热效应主导体积膨胀。

图1 氢键对水分子的膨胀作用

参考资料：

by 小被子

Q.E.D.
Q6 为什么冰雹总在夏季出现？

by Laura

答：

夏天天气炎热，冬天天气寒冷，所以直觉上冰雹应该出现在冬天才对，然而事实却恰恰相反。关键在于结冰所需要的“冷”（即零度以下的温度）在高空其实一直存在。所以关键不在于地表附近温度，而在于如何能让水汽凝结成足够大的冰球再落下。这就要依靠强的上升气流，而这才是夏季独有的。

在夏天，地表温度远高于高空，因此地表附近被加热的空气会迅速上升，形成强劲的气流。这个过程中，部分水汽也被带到高空的低温环境中以过冷水的形式存在。一旦产生凝结核，它会在落下时被上升气流再次托举，而周围的过冷水会在核上一层层凝结附着，这一过程中冰雹就会从极小的体积不断长大，直到落下。反观冬天，地表温度很低，并没有强劲的上升气流，因此冰晶在初步结晶后就会自然落下形成雪，反而难以长大成冰雹。

by 云开叶落

Q.E.D.
Q7 火烧云是怎么形成的？

by 水林齐

答：

阳光由七色光混合而成。进入大气后，光会与空气分子发生散射，其中瑞利散射对波长较短的蓝紫光作用强，对波长较长的红橙光弱。正午阳光穿过的大气较薄，蓝光虽被散射但仍充足，因此天空呈蓝色。

日出日落时太阳位于地平线附近，光线斜穿大气层的路径约为正午的几十倍。在这段长路径上，蓝紫光被反复散射殆尽，能入射到观察者眼前的以红、橙光为主。

但光变红还不足以形成火烧云，还需要云层参与。云中水滴的尺寸与可见光波长接近，发生的是米氏散射，其对各波长散射较均匀。被散射过滤成红橙色的阳光照在云上，云把红橙光反射给观察者，看起来就像"烧"起来了一样。

这也是为什么雨后火烧云格外猛：雨水把低空尘埃洗得干净，大气更透；头顶又常留着没散尽的云团当幕布，西边天已放晴让阳光直送过来。干净的空气加一块好幕布，火就烧得旺。反过来，雾霾天霞光反倒会发哑。

by 柠七

Q.E.D.
Q8 山地自行车车比赛中，为什么爬坡的时候，选手们需要“摇车”加速，而不是保持身体与自行车面水平骑行？

by mota

答：

想理解这个问题，首先需要知道自行车运动中能量输出的一些基本情况。自行车运动需要克服一定的阻力，比如轮子在地面滚动的阻力、迎面而来的风阻、链条传动中的能量损耗等，这些损耗共同组成一个骑行者需要对抗的功率。而输出是靠踩踏踏板实现的，由于踩踏一圈周长一定，踩踏的切向力乘以踩踏频率就正比于输出的功率。在平路骑行时，想骑的快主要对抗的是风阻。然而在爬坡时，每踩踏一圈还会对应着在竖直方向上的位移，因此需要克服重力做一定数量的功。这意味着当以相同频率踩踏时，爬坡需要付出的功率是显著增加的！

自行车比赛中选手摇车

前面提到了功率是正比于踩踏时切向发力与踩踏频率的，既然在相同频率下需要增大功率，那么唯一的方案就是要增大发力。这便是为什么在骑车上坡时会觉得吃力。当选手坐在车座上时，仅依靠臀大肌以及股四头肌等的收缩发力进行踩踏，然而当选手站立“摇车”，就可以利用自身的重力辅助踩踏，这样更容易对踏板施加更大的力。此外，“摇车”还有一个额外的好处，那就是当人站立踩踏时，大腿后侧链的腘绳肌等会参与发力，减小了坐踩时主力肌群的压力，这样有助于短暂恢复部分肌群。

by 云开叶落

Q.E.D.
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本期答题团队

冰糕、柠七、小被子、跑马仔、云开叶落

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