趣味物理学

冬天的外套能温暖你吗？ 如果我告诉你，你的毛皮大衣根本没法温暖你，你大概觉得我在开玩笑。但假如我能证明这一点呢？请看下面这个实验。取一支普通温度计，记录它的读数。然后用你的毛皮大衣把它裹起来，放几个小时，再次记录温度计的读数。它应该和原来一模一样。现在你是不是信了，毛皮大衣没法温暖你？而且说不定还会让你更冷！取两袋冰块，其中一袋用毛皮大衣裹起来，另一袋放在盘子里。等盘子里的这袋冰融化以后，解开大衣，你会发现**袋冰块完全没化。如你所见，大衣至少肯定没法给你带来温暖，恰恰相反，它看起来似乎还有降温的效果，因为冰融化的时间变长了！ 所以，冬天的外套能温暖你吗？如果“温暖”的定义是热交换，那么答案是不能。灯能产生热交换，火炉也可以，我们的身体也行，它们都是热源。但你的毛皮大衣不是热源，它自身不会产生任何热量，只能帮助我们的身体减少热量的损失。所以披着毛皮的温血动物——事实上，它们的身体就是一种热源——摸起来要比没有毛皮的暖和得多。但我们拿来做实验的温度计不是热源，所以哪怕用毛皮大衣把它裹起来，它的读数自然也不会变。裹在大衣里的冰化得慢，也是因为大衣的导热能力很差，它会阻止冰块吸收周围的热量。 地面上的雪的作用类似毛皮大衣，和所有粉末状的物体一样，雪也是热的不良导体，所以它能帮助地面减少热的损失。被雪层覆盖的地面温度往往要比露天的位置高10℃左右。 所以，“冬天的外套能温暖你吗？”这个问题的答案是：它只能帮助我们的身体保温，事实上，不是外套温暖了我们，而是我们温暖了外套。 剧院里的声音 喜欢看戏、听音乐会的人都很清楚，剧院的声学效果有的很好，有的很糟糕。有的剧院能把演讲和音乐清晰地传到相当一段距离以外，有的剧院哪怕坐得很近都听不清楚。 不久前人们还认为，剧院声学效果的好坏完全取决于运气。现在建筑者已经找到了一些抑制负面混响的途径和方法。虽然我不打算在这个话题上多做展开，因为恐怕只有建筑师才感兴趣，不过请容我强调一句，避免声学缺陷的途径主要是创造吸收多余声音的表面。 敞开的窗户吸收声音的效果*好——就像孔洞吸收光线的效果*好。顺便说一句，估算消声效果时，我们采用的标准单位是一平方米敞开的窗户。观众自身吸收声音的效果也很棒，每个人大约相当于半平方米敞开的窗户。“观众真的能把演讲者的话听‘进去’。”一位物理学家这样说过。如果没有能听进去话的观众，演讲者也真的会很困扰。 声音被过度吸收也不是什么好事儿，因为**，这会削弱演讲和音乐的声音；第二，这还会过度抑制混响，让声音听起来显得单薄脆弱。正如我们看到的，一定程度（既不长也不短）的混响是有益的。每座剧院需要的混响程度各不相同，负责设计的建筑师必须对此做出估算。 从物理学的角度来说，剧院里还有一个有趣的地方，那就是提词厢。提词厢的形状总是一样的——你有注意过吗？这是物理学决定的。提词厢的天花板是一面凹面声镜，它承担着双重功效：**，避免提词员说的话被观众听到；第二，把提词员的声音反射到舞台上的演员耳朵里。 冰为什么是滑的？ 打过蜡、表面光滑的地板比没打过蜡的滑得多。既然如此，光滑的冰面岂不是也应该比崎岖不平的冰面更滑？但现实却恰恰相反，雪橇在崎岖不平的冰面上跑起来比在光滑的冰面上顺畅得多——如果你亲自拉过雪橇，那你可能已经发现了这个问题。崎岖不平的冰面为什么比平坦的冰面更滑？冰之所以是滑的，并不是因为它的表面有多光滑，而是因为它在受到压力时熔点会下降。 现在我们来看看，当你拉雪橇或者滑冰时实际上发生的事情。踩着冰刀的我们把全身的重量都压在一块很小的区域上，这块区域的面积可能只有几平方毫米。回忆一下本书的第二章，你会发现，穿冰刀的人对冰面施加了一个很大的压力。在这样的压力下，冰的熔点会降低。假设冰面的温度是-5 摄氏度，滑冰者施加的压力让他脚下的冰面熔点降低了6摄氏度或7摄氏度，那么这个位置的冰就会融化，在冰刀和冰面之间积聚薄薄的一层水。难怪滑冰者能在冰面上轻松滑行。无论他滑到冰面上的什么地方，同样的过程都会再次重复。滑冰者不断地在水的薄层上滑行。只有冰拥有这种特殊的性质。一位物理学家甚至说它是“自然界里唯一一种滑溜溜的物体”。其他所有物体都只是表面光滑而已。 现在，说回我们*初的问题。崎岖不平的冰面为什么比平坦的冰面更滑？我们已经知道，接触面越小，同等重量的物体产生的压强越大。一个人的身体在什么情况下产生的压强更大？是在平坦的冰面上还是在崎岖的冰面上？显然，他在崎岖冰面上产生的压强更大，因为在这种情况下，支撑他身体的只有冰面上的几个凸点。压强越大，冰融化得越快，因此也变得越滑——前提是雪橇的滑道够宽（但薄薄的冰刀在崎岖的冰面上不会滑得更轻松，因为动能产生的热量会切开冰面上的凸点，让冰刀更充分地接触冰层）。 压力会让冰的熔点降低，这一特性解释了我们周围的很多现象。被紧紧挤压在一起的冰块会凝结成一大块，正是出于这个原因，扔雪球的男孩们也会无意识地利用这种特性——一片片的雪花之所以能被捏成雪球，正是因为压力降低了它们的熔点。我们堆雪人时同样利用了这一原理。（所以一旦霜冻特别严重，散落的雪就很难捏成雪球或者堆成雪人，我想背后的原因应该不用解释了吧。）经过无数行人的踩踏，人行道上的雪会慢慢变成坚硬的冰层。 理论计算的结果表明，要让冰的熔点降低1 摄氏度，我们必须对它施加130千克/平方厘米的压强，这个数字相当可观。别忘了，在融化的过程中，冰和水承受着同样的压力。但在我们刚才介绍的几个案例中，承受强大压力的只有冰，冰融化后产生的水承受的是大气压力，所以在这种情况下，压力对冰熔点的影响要大得多。