風扇為什麼逆時針旋轉？

眼下，

全國各地都進入了燒烤模式

沒空調的地方就全指望電扇續命了

上期，我們科普了為什麼電扇背後沒有風

其實，

電扇里的物理有很多

除了本期的問題，

你還能想到哪些？

1

Q

把手放在熱水裡，為什麼動動手會覺得更熱？

By wly

A

熱水溫度比體溫高，當手放在其中時，皮膚表面附近的水成一個相對穩定的過渡層。由於水本身的導熱性並不好，在不攪動的情況下，熱量緩慢地傳導到皮膚上，進而被體內流動的血液及時帶走，並不感覺很熱。而當手在水中攪動時，表面過渡層被破壞，周圍的熱水源源不斷地流過皮膚表面，持續帶來熱量，血液來不及把這些熱量都帶走，於是表皮溫度升高，就會感覺到更熱了。另外，如果掐住手腕暫時減緩血液流動，手也會感覺更燙哦。關於以上現象，具體可參考牛頓冷卻定律。類似地，冬天在室外迎風行走，當氣溫一定時，風越大，人越冷，也是類似的道理，稱為風寒效應。綜上所述，對液體和氣體而言，流動速度是影響導熱效率的關鍵因素。設想我們在空間站的失重環境下加熱一壺水，其加熱速度一定不如在地球上快，因為在重力場中從底部對水加熱時，水會有明顯的對流，促進熱量迅速傳遞。

2

Q

風扇為什麼逆時針旋轉？

Bywolf

A

這是個很有趣的現象，應該與螺紋方向有關。工業上為了降低成本，各種零件基本盡量遵循標準化的原則。常見的螺紋都是統一為右螺旋的。因為規模效應，右螺旋的成本比左螺旋的更便宜。如果電機向外伸出的轉軸末端為普通右旋螺紋，並與風扇配套連接，那麼容易發現，當風扇逆時針旋轉時，風扇與轉軸之間的作用力趨於將兩者擰得更緊；而當風扇順時針旋轉時，螺紋連接處會越來越松。雖然現在的風扇連接方式越來越多，實際中不盡如此，但這一主流習慣還是保留了下來，甚至可能成為行業規範。

工業中的很多機械都會考慮到螺紋鬆緊的這種效應，尤其是旋轉和振動比較頻繁的結構。有趣的是，自行車左右兩個腳踏板對應的曲柄與齒輪的連接處，分別是左螺紋和右螺紋，以保證兩邊踩踏時都不會鬆動。不過我也確實碰到過一輛劣質自行車，可能是為了節約成本，或者是設計缺陷，兩側都用了右螺紋，騎了才幾天腳蹬就掉了。

tips：一個有趣的知識

其實剛開始的時候，左螺紋和右螺紋的成本和方便性可能都差不多，但是這樣相應的機床、螺絲、螺母等就不能任意配對了。一旦某一個環節打破了平衡的局面，比如市場上出現了一大批右螺紋的機床或者螺母，那麼相應的螺釘就需要時右螺紋的了，左螺紋的更賣不出去，長此以往，市場自動調整為單一種類的螺紋以降低成本。

生物界也有類似的例子。比如蝸牛的螺殼，原本左右都有，然而由於其生殖器官位置的關係，只有相同旋轉方向的蝸牛才能方便地交配。長此以往，這種性狀對應的基因更有繁殖優勢，整個種群就逐漸趨於統一的螺旋方向了。這是不是也算一種對稱破缺？

3

Q

為什麼弓箭上裝了平衡桿後拉弦更輕鬆？

By snfinder

A

首先，完成一次高質量的射擊要保證整個拉弓射箭過程中儘可能少的出現抖動。平衡桿的作用就是為了減少這種抖動：一方面，平衡桿增加了弓體的重量，大的慣性意味著對外力抵抗能力更強。另一方面，平衡桿改變了弓的重量分配，其結果是系統的轉動慣量增加，所以對左右搖擺的抵抗能力更強。總而言之，平衡桿可以幫你更加穩定的射擊。然而，這並不能解釋為什麼平衡桿使拉弦變輕鬆。事實上，如果用機器測試會發現，裝平衡桿前後拉弓需要的力量完全相同。

為什麼你會感覺平衡桿使拉弓更輕鬆？原因是這裡的輕鬆並不是需要更小的力，而是你能提供的最大拉力變大了，相應的，輸出和之前相同的力對於現在的你就不那麼困難了。之所以可以提供更大的拉力，是因為拉弓射箭並不只是提供拉力就行，還需要一部分肌肉來維持整個手臂的穩定，這部分肌肉會限制你產生拉力的肌肉發力並分散你的注意力，平衡桿的穩定性剛好解放了這些肌肉，使你可以更專註於拉弓而不用關心穩定，所以你可以提供的拉力就增加了，拉弓也覺得輕鬆了。

4

Q

地球為什麼沒有因太陽一直照射而越來越熱？

By panpan

A

地球確實是在越來越熱，不過主要是由於溫室效應，而不單單是因為太陽一直照射。地球的能量來自於太陽光的照射，而從地球誕生到現在，陽光就一直照射著，地球上的能量豈不是越來越多，溫度越來越高？其實不然。地球這個熱力學系統，在源源不斷地吸收太陽輻射的能量的同時，也在向外面散發著能量。如果考慮地球上的生物，照射到地球上的一部分陽光被地表吸收升高地表溫度，一部分又被植物光合作用，儲存成生物能。而動物的活動又將這部分生物能消耗掉，變成熱量散布到周圍的環境中。這些因素都將導致地球環境中能量的升高。

我們知道，有溫度的物體都會向外界散熱，其散熱方式包括熱傳導、熱對流和熱輻射，地球也不例外。不過面對太空這個環境，地球只剩下了輻射這一個方式。這樣，地球一方面從太陽光得到能量，一方面又通過輻射紅外線向太空散發能量，當這吸收熱量與輻射熱量達到平衡時，那麼地球的溫度就不變了。當然，也得達到這個熱平衡溫度才能不變，所謂的溫室效應主要就是大氣層中二氧化碳等氣體濃度越來越大，本來要輻射到外太空中的紅外線被大氣吸收了，向外散發的熱量減少，而本身吸收的能量又不變，導致在現階段地球整體的溫度在上升，這就是所謂的溫室效應。

5

Q

為什麼反射、折射可獲得偏振光？它是如何使光的振動面只限於某一固定方向的？

By 第三懸臂的麥克斯韋妖

A

當我們考慮光的反射和折射時，我們一般利用經典電磁理論就足夠了。在經典的電磁理論中什麼才是最基本的呢？沒錯，就是麥克斯韋方程組。所以，當一束光照到介質表面時，會形成一個邊界條件，結合麥克斯韋方程組，我們可以通過解這個邊界條件從而得到反射光和折射光二者的電失量與入射光的電失量的關係，而這個關係就是大名鼎鼎的菲涅爾公式。通過分析菲涅爾公式，我們可以知道，當入射角為布魯斯特角時（即，此時反射光與折射光垂直），反射光為完全偏振光，偏振方向為垂直與入射面。但是一般情況下，若入射光不是完全偏振光的話，折射光是無法產生完全偏振光的。關於菲涅爾公式的更多具體知識，讀者可自行查閱電動力學相關的書籍，篇幅有限這裡不多闡述。

6

Q

為什麼洛倫茲力不做功而安培力做功？難道安培力不是洛倫茲力的宏觀表現嗎？

By第三懸臂的麥克斯韋妖

A

主要原因應該在於洛倫茲力和安培力的作用對象不同。洛倫茲力的作用對象是運動電荷，而安培力的作用對象是載流導體。無論電荷怎樣運動，洛倫茲力都與其運動方向垂直。而對於安培力，雖然其方向始終垂直於電流，但是載流導體可以沿任意方向運動。

實際上，導體中電荷的運動速度是漂移速度和導體運動速度的合成，相應的洛倫茲力也並不一定垂直於電流，而安培力等於洛倫茲力垂直於電流方向的分力。值得注意的是，兩者也只是數值相等。從來源上看，安培力是載流子偏離平衡位置時，對導體中離子的靜電吸引作用，磁場引起的力並未直接作用於導體。

通過簡單的計算還可以知道，安培力的功率和電路的電功率相等（不考慮電阻），安培力做功的能量全部來自於電源，磁場只是起到能量轉換的媒介作用。

7

Q

為什麼光電效應中一個電子只吸收一個光子？

By 何鑫佳

A

如果你只學過基本的光電效應原理，那麼恭喜你，你已經很接近發現新現象了。事實是，光電效應中一個電子未必只吸收一個光子。實驗中已經發現，就算單個光子的能量不足以達到電子逸出功，當光強足夠大，依然會有逃逸的光電子。原因是電子吸收光子是有一定的概率的，當光強很弱，相當於光子的密度很低，那麼對某個電子而言，就這麼點光子，能吸收到一個就已經很不錯了，幾乎不存在吸收多個光子的可能，因此觀察到的光電子也就是只吸收了一個光子的電子。這就是我們學的光電效應，是在低光強下的現象，與頻率有關而與光強無關。當光強變大，也就是光密度增大，單個電子吸收到光子的概率也會增大，甚至吸收多個光子也成為可能，此時就算單個光子能量不夠電子逃逸的，多個光子也有可能被一個電子吸收從而逃逸，讓我們觀察到光電子。激光（激光的光強一般很大）照射引起的多光子吸收已經有了很多實際的用途，比如已經成功用來分離同位素硫，在光化學、光譜學領域也有其應用。

8

Q

量子通信是基於量子糾纏的，是不是保護好這對量子就可以杜絕干擾和破解了？

By 太陽也瘋狂

A

的確，很多量子通信協議需要用到量子糾纏的性質，所謂的量子糾纏就是兩個粒子間的非局域關聯。量子通信的安全性是由量子力學的基本原理所保證的，是絕對的安全，與用於通訊的糾纏對是否有被很好的「保護」基本沒有什麼關係。

根據量子力學原理，我們知道一旦對一個量子態進行測量，該量子態就會坍縮，即該量子態會被破壞。也就是說，當我們的量子通信信道被竊聽時，該通信信道的原始信息就會被破壞，所以我們一旦發現信道中的信息被破壞了，我們也就知道信道被竊聽了（例如，我們在通信時可以在通信信息中插入一些測試信號來測試信道是否安全）。另外，絕對地杜絕糾纏對被干擾是不可能的，因為我們用於通訊的粒子必須要處於一個環境，無法做到完全將其孤立起來，而一旦有了環境，該粒子就會與環境相互作用，從而使其量子態退相干，因此我們必須在量子態退相干前對其進行操作。現代的實驗手段可以通過各種技術來延長通訊粒子量子態的退相干時間，但無法做到完全不會退相干。

本期答題團隊：

物理所李治林、Automan-Ex、木公可可、螳吉呵呵、可愛的你、大化所J.Baker

寫下您的問題，下周五同一時間哦~

識別下方二維碼快速提問

上期也精彩

編輯：PXL

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！