自行车的踏板前踩可以向前走
后踩为什么没有向后走？
前推单车踏板不动
为什么后推单车踏板就会动？
问答导航 Q1 既然沸腾水上的白色水汽是水蒸气遇冷液化成的小水珠，且水的密度比空气大，那它为什么向上飘，而不是掉下来？ Q2 为什么保持拎重物状态没有做功却会感觉累? Q3 人晒黑后可以变白吗？ Q4 烤肉时水滴落到烤盘上为什么会发出“次啦次啦”的声音? Q5 为什么罐头拍拍底部就容易拧开了？ Q6 为什么往前踩单车踏板单车会向前，往后踩就不会？而且为什么单纯推单车不踩踏板时，往前推踏板不动，往后推踏板又会向后？ Q7 可以讲讲梅森素数吗? Q8 为什么有些物体燃烧产生的是白烟，有些是黑烟，颜色为什么不一样？还有别的颜色吗？
Q1 既然沸腾水上的白色水汽是水蒸气遇冷液化成的小水珠，且水的密度比空气大，那它为什么向上飘，而不是掉下来?
by 280个月的好奇宝宝
答：
其实并不是真的水蒸气主动向上飘的。这是因为沸腾的水表面的空气受热温度升高，而热空气的密度低向上浮起来，在这个过程中热的空气逐渐遇冷变成小水珠。热空气逐渐攀上，沿途被冷空气变成小水珠，所以给人一种水蒸气向上飘的假象，其实就是热空气在偷跑而已啦~
by 蓝多多
Q.E.D.
Q2 为什么保持拎重物状态没有做功却会感觉累?
by 匿名
答：
因为肌肉维持收缩本身就需要消耗能量。虽然在这一过程中，没有做力学功（因为位移为0），但是肌肉需要持续保持收缩来产生力，从而抵抗重力，使得物体被拎起来。在这一过程中，肌肉细胞内的肌动蛋白（actin）与肌球蛋白（myosin）交替结合与分离，需要不断水解 ATP 提供能量。哪怕肌肉是“等长收缩”（没有改变长度），它也不断进行这些化学反应。这种“等长收缩”虽然不做外功，但仍然高度耗能，导致ATP消耗，在无氧代谢下产生乳酸，肌肉内钙离子水平上升，主观疲劳感增强。所以简单来说，虽然这一过程并不做功，但是依然会消耗能量来维持肌肉收缩，在这一过程中产生的生理与代谢负荷会使得人感到疲劳。
参考文献：
Katz A, Sahlin K, Henriksson J. Muscle ATP turnover rate during isometric contraction in humans. J Appl Physiol(1985).1986 Jun;60(6):1839-42.
Russ DW, Elliott MA, Vandenborne K, Walter GA, Binder-Macleod SA. metabolic costs of isometric force generation and maintenance of human skeletal muscle. Am J Physiol Endocrinol metab. 2002 Feb;282(2):E448-57.
by ArtistET
Q.E.D.
Q3 人晒黑后可以变白吗?
by 匿名
答：
先说结论：可以，效率取决于代谢黑色素的能力、因人而异。
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图1 黑素细胞和黑色素 | 图片源自[4]
为了了解如何变白，先要明白皮肤是如何被晒黑的。在我们皮肤的基底层中，存在着一种长着诸多“触手”的黑素细胞（melanocyte）。黑素细胞的细胞质中存在着很多膜结构包裹的椭圆形小体，称为黑素体。其中的酪氨酸酶在紫外线的刺激下可以将酪氨酸转化为黑色素（melanin）。产生的黑色素会随着黑素体以胞吐的形式从“触手”排出黑素细胞，并被周围的皮肤细胞吸收，这样皮肤看起来就变黑了。必须澄清的是，黑色素的作用是通过吸收和散射紫外线来保护皮肤细胞，因此“变黑”其实是人体应对辐射的自我保护。
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图2 黑色素的形成过程 | 图片源自[1]
那么从晒黑重新变白的办法自然就是代谢掉这些黑色素。一方面，我们的皮肤组织是处于不断的自我更新中的，因此吸收了黑色素的处于表皮基底层的细胞会随着新陈代谢逐渐向表面的角质层上浮，逐渐失去细胞核和细胞器而变成扁平的角质细胞，最终脱落。另一方面，在形成角质细胞的过程中，细胞也会通过溶酶体水解酶降解以及自噬过程的参与将其中部分的黑色素分解掉。最终，当旧细胞被新的细胞逐渐代替，人就可以逐渐重新变白了。当然前提是在此过程中没有再经历较强的紫外辐射。
参考文献：
杨小玉,刘金俊,刘蕾,et al.黑色素的生成代谢机制及研究方法进展[J].China Surfactant Detergent & Cosmetics (2097-2806), 2023, 53(10).
by 云开叶落
Q.E.D.
Q4 烤肉时水滴落到烤盘上为什么会发出“次啦次啦”的声音？
by 多普勒
答：
这是水滴遇到高温烤盘时迅速汽化甚至形成莱顿弗罗斯特现象的结果。当水滴落在温度远高于100°C的烤盘上时，在接触的瞬间，底部的水立刻被加热并汽化；迅速产生的水蒸气“炸开”水滴，使其内部剧烈扰动、震动；同时水滴表面不断气化、崩裂、炸裂，在短时间内形成连续不规则的气爆音；就形成了我们听到的“次啦次啦”的声音。一般来说，声音的直接来源就是水滴落在烤盘上的快速汽化现象：由于局部区域升温极快，水还没来得及传热扩散就已经变为气体，造成“微爆”。而当烤盘温度超过200℃时，会出现莱顿弗罗斯特现象，水滴与金属之间形成蒸汽垫，水滴在上面“跳舞”一样滑动，蒸汽层剧烈波动，导致持续的“吱吱”声。
参考文献：
Singla, Tanu and Rivera, M.,Sounds of Leidenfrost drops.
Bertola, Volfango. (2024). Acoustic emission of water drops impacting on a heated surface. Atomization and Sprays. 34. 10.1615
by ArtistET
Q.E.D.
Q5 为什么罐头拍拍底部就容易拧开了？
by 匿名
答：
一般罐头为了更长时间的保鲜，会将内部抽真空来密封保存，因此产生了负压不易打开。通过敲击瓶底可以破坏掉罐头的密封状态有助于将盖子和瓶子之间松动，同时拍打可以使罐头内部的液体剧烈晃动，释放出少量气体，增大压强。那么瓶子在这个过程中具体有哪些变化呢？
在高速摄像机下，我们击打一个装满水的瓶子的瓶口部分，来模拟拍罐头，在快速的击打下，瓶子会向下移动一小段距离。但是在惯性的作用下，水不会随着瓶子移动而是停留在原来的位置。这个时候瓶底和水之间有一个接近真空的低压区域，那么水在大气压的作用下会迅速向下流动，填补低压区。当快速流动的水撞击瓶底时，瞬间的减速会产生巨大的冲击力，就会击碎瓶底。
那么我们反过来拍瓶底也是一样的，罐头就是在这样的敲击下，水流对罐头盖造成巨大的冲击会使的瓶盖稍微变形，我们其实可以注意到敲击瓶底会使原本平面的瓶盖变鼓(没注意到过的，罚你买个罐头尝尝)，这个形变足以减小密封罐头的负压状态使我们轻松打开罐头(其实即使这样，我还是打不开，我是菜鸡没错!)
参考文献：
by 蓝多多
Q.E.D.
Q6 为什么往前踩单车踏板单车会向前，往后踩就不会？而且为什么单纯推单车不踩踏板时，往前推踏板不动，往后推踏板又会向后？
by 云里物理
答：
这里面涉及两个问题，一个是自行车后轮由棘轮结构实现的单向驱动，另一个是由齿轮链条传动系统实现的脚踏与后轮之间的运动关联。
棘轮结构动态示意 | 图片源自[1]
上图展示的是自行车中使用的棘轮结构的动态示意，其实现的单向驱动是显而易见的。上图中棘爪被弹簧片时刻压在结构的外周，逆时针转动时棘爪会顶在齿轮上带动齿轮旋转，但是顺时针转动时棘爪只会不断滑动而击打齿轮，不会带动其旋转。同样的结构正是存在于自行车后轮的轴心位置，称为花鼓。
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某型号花鼓结构示意 | 图片源于网络
上图给出某个型号花鼓的示意，其中塔基的千斤齿就充当棘爪角色，而另一侧的棘齿就是齿轮。当塔基旋转方向正确会带动后轮旋转，而反向转动只会带来千斤齿击打棘齿发出的哒哒的响声。需要强调的是自行车花鼓的细节构造也是多种多样的，这里讲的仅是通用原理，实际结构有很多变体。
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自行车结构示意 | 图片源自[2]
而飞轮（后轮处变速齿轮）是直接装在塔基上的，它通过链条直接连接在与曲柄绑定的牙盘（脚蹬处的变速齿轮）上。当我们踩踏脚蹬，正是让曲柄带动牙盘转动，并通过链条传动带动飞轮和塔基转动，这便是传动系统实现的脚蹬与塔基的运动关联。很自然地，转动后轮能否带动脚蹬转动也是利用了花鼓中的棘轮结构。此外也有一种后轮处无棘轮结构的自行车，称为固齿或死飞，它向后转脚踏会带动后轮反转，且这种车子无常规刹车，就是通过反转脚踏实现刹车的。
参考文献：
by 云开叶落
Q.E.D.
Q7 可以讲讲梅森素数吗？
by 明
答：
素数相信大家都在初高中接触过，也叫做“质数”，它要求在大于1的整数中只能被1和其本身整除，如2，3，5，7等。但后来人们发现有一些素数能够被写成 的形式，这种特殊形式的素数一直吸引着许多数学大师。
梅森素数就是在1897年瑞士苏黎世举行的首届国际数学家大会上定义的“ ”类型素数。其中p是素数，而如果 也是素数，那么就是梅森素数，人们用 来表示它。既然它已经被称为梅森素数了，那必然和法国数学家马林·梅森有关，欧几里得最早发现梅森素数和完全数存在对应关系：若 为素数，则 必为完全数(它所有的真因子的和，恰好等于它本身。)，梅森1644年对其进行了相关猜想，并在他的《物理数学随感》一书中断言：在≤257的素数中，当p=2、3、5、7、13、17、19、31、67、127、257时， 是素数，其它都是合数。前面的7个数（即p=2、3、5、7、13、17、19）已被前人所证实，而后面的4个数（即p=31、67、127、257）则是梅森自己的推断。但是后来人们发现他的断言是有错漏的，不过为了纪念他还是将 类型定为梅森素数。
在当时那个纸算笔录的年代，人们花费了308年才找到12个素数，而随着计算机的发展，人们在1644-1992年之间就找到了32个素数，在2018年人们发现了第51为素数， ，2024年发现了第52为梅森素数， ，按照十进制计算有41024320位数字，比此前最大纪录的素数（24862048位）多1600多万位。
梅森素数的分布与黎曼猜想、素数定理等多个问题相关，它有助于我们深入理解素数的性质，所以才会有很多科学家沉迷寻找它们，不仅如此，寻找梅森素数，还推动了“数学皇后” ——数论的研究，促进了计算技术、密码技术、网格技术、程序设计技术的发展。由于梅森素数的探究需要多种学科和技术的支持。许多科学家认为，梅森素数的研究成果，在一定程度上反映了一个国家的科技水平。英国顶尖科学家马科斯·索托伊甚至认为梅森素数的研究进展标志着科学发展的里程碑。
参考文献：
曹茜.梅森素数探究为什么这么火[J].科学24小时,2021,(12):41-42.
by 蓝多多
Q.E.D.
Q8 为什么有些物体燃烧产生的是白烟，有些是黑烟，颜色为什么不一样？还有别的颜色吗？
by 匿名
答：
烟的颜色与燃烧物的成分、燃烧的完全程度密切相关。
白烟通常是燃烧产生的固态微小颗粒（如无机盐、金属氧化物）或液态小液滴（如水蒸气冷凝）。由于这些颗粒直径较小，能对光线产生散射作用，因此呈现出白色。例如，蜡烛燃烧时，火焰上方的白烟就是未燃烧的石蜡蒸气遇冷凝结成的固态石蜡小颗粒；而高温烟气遇冷时，水蒸气会凝结成雾状微粒，在视觉上也会形成白色烟雾，这种现象在寒冷天气中尤为明显。
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（图片来源于网络）
黑烟则多是燃料不完全燃烧的产物，其中含有大量碳微粒（炭黑），以及由碳、氢、氧、硫等元素组成的复杂有机化合物，包括未燃尽的碳氢化合物、芳香族物质、焦油类颗粒和硫氧化物等。当燃烧温度过低、氧气供应不足或燃料雾化不良时，就容易产生这类黑烟。由于这些颗粒物直径较大，对光线的吸收能力较强，因此在视觉上呈现出浓密的黑色。
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（图片来源于网络）
除了白、黑两色，其他颜色的烟雾也很常见。比如，一些黑心工厂为节省成本，使用劣质散煤且未经处理直接排放废气，这些散煤中含有大量含硫和含氮化合物，燃烧后会形成对人体危害极大的黄烟。而在军事演习或救援现场，我们常能看到蓝色、绿色、红色等彩色烟雾信号。这些彩色烟雾则利用燃烧产生的热量，使特定的染料受热升华成为彩色蒸气，这些蒸气扩散到空气中后，便形成了色彩鲜明的烟雾。
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（图片来源于网络）
by Sid
Q.E.D.
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编辑：蓝多多