（来源：Frions 中科院物理所）

在《海绵宝宝》的一集中

派大星获得了聪明的大脑成为了天才

那么现实中

海星的头在哪里？

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Q1 为什么地上的肥皂会把周围的水疏开？
Q2 为什么放在冰箱里的广口瓶盖子特别难拧开？应该怎么办？
Q3 戴森球计划真的可以在现实中实现吗？
Q4 为什么新能源车在倒车的时候会“唱歌”？
Q5 日常说车速的“迈”具体是什么单位？
Q6 海边危险的离岸流是怎么形成的？
Q7 海星的头在哪里？
Q8 为什么除草的时候会闻到一股草味？
Q9 把羽毛撕开无法复原，这是为什么？会影响小鸟飞行吗？
Q10 为什么长时间不写字后写字会手抖？
Q11 为何台风来临时晚霞会格外艳丽？
Q12 乐器有可能模仿出人声吗？

Q1

为什么地上的肥皂会把周围的水疏开？

by 匿名

答：

肥皂是一种表面活性剂，其功能根源于独特的两亲性基团，如下表面活性剂分子结构示意图。通常表面活性剂分子由两个截然不同的部分组成。一个亲水头基，通常含有氧、氮、硫等原子，十分的喜欢水；另一个主要由碳、氢两种原子组成的疏水尾链，它很讨厌水。

当这种分子接触到水时，亲水一端会扎入水中。但是由于疏水尾链的存在，它会极力地躲避水分子。两者共同的作用会驱使整个分子自发的运动到水的表面，以亲水头基朝向水相、疏水尾链朝向空气的定向方式排列在气-液界面上。在这个过程中，表面活性分子完成了对表面水分子的取代。

原本水分子之间存在氢键相互连接，形成了强大的内聚力，使表面张力维持在约72 mN/m。当表面活性剂分子在表面取代了部分水分子后，水分子之间氢键网络的密度降低，表面的内聚力被削弱，从而使表面张力大幅下降（比如降至25-40 mN/m）[1]。由于肥皂周边的表面张力低于外围区，液面会自发产生从低表面张力区向高表面张力区的表层流动（即马兰戈尼效应）[2]。这种自发流动导致中心区域的水膜变薄甚至破裂，看起来就像是水被肥皂“推开”了一样。

参考文献：

Developments in Surface Contamination and Cleaning, Vol. 1: Fundamentals and Applied Aspects[M]. William Andrew, 2015.

朱文涛. 物理化学[M]. 清华大学出版社有限公司, 1995.

by 玛卡巴卡卟

Q.E.D.

Q2

请问为什么放在冰箱里的广口瓶盖子特别难拧开？我们应该怎么办？

by ME007

答：

放入冰箱的广口瓶比室温下更难拧开，主要原因就是四个字：热胀冷缩。假设你在室温下把瓶盖拧紧，然后放进4 ℃ 的冰箱，瓶子里的空气从25 ℃降到4 ℃。如果瓶子密封良好，不考虑水蒸气冷凝等因素，根据理想气体状态方程：

在体积和气体分子数基本不变的情况下，温度越低，压强也越低。在冰箱内降温后，瓶内的气压变为：

假设最初瓶内的气压是一个大气压，那么降温后瓶子内外的压差就是：

假设压强差作用在直径8厘米的瓶盖上，产生的压力可以用压强乘面积计算：

仅仅由于瓶内外的气压差，就相当于约3.5 kg的重物一直压在瓶盖上，瓶盖越大，压力也会越大！也难怪广口瓶冷藏后难以打开，细口瓶则相对少见这种问题了。

此外，如果你的广口瓶不巧有个金属瓶盖，它的热胀冷缩也会成为开瓶的阻碍。金属的热胀冷缩程度比玻璃瓶身明显得多，放入冰箱后，遇冷收缩的瓶盖会把玻璃瓶口箍得更紧。

知道了热胀冷缩的原理，想拧开冰箱中的广口瓶盖，也就不困难了：最简单的方法就是用温水加热瓶盖。一方面，金属盖受热膨胀，直径稍微增加；另一方面，瓶盖附近空气也随之升温，瓶内压力有所回升，更容易拧开。不过，最好不要把刚从冰箱拿出的玻璃瓶直接浇沸水——因为冷玻璃受到很大的局部温差，有破裂的风险。

by 冰糕

Q.E.D.

Q3

戴森球计划真的可以在现实中实现吗？

by 太阳之力

答：

理论上可以实现，但以人类目前的技术和资源，现实中的戴森球还非常遥远。戴森球的核心思想就是建造一种巨型结构围绕恒星，收集恒星释放的大量能量，从而获得更多能源。好比有一整层固体球壳，把太阳包在里面，这个画面很震撼，但物理上会遇到很多问题。

如果球壳半径达到地球轨道，即，整个结构会承受巨大的机械应力以及恒星引力。目前已知任何材料，都无法承受这样的强度。其次，一个包围太阳的完整球壳内部，各方向引力抵消，但如果发生一点偏移，它就不会像行星一样自然绕太阳运动，而是可能逐渐失稳。因此，现实中讨论更多的是建造大量独立的太阳能收集器，让它们各自在围绕太阳的轨道上运行，形成一大群太阳能卫星。有研究认为，这种“戴森群”相比完整球壳是更可行的方案。

但即便如此，工程量依旧惊人。假设要在地球轨道处建造戴森群，覆盖大部分太阳光，需要面积约，而地球没有足够的资源去制造这样的结构。一些关于戴森群的工程设想提出，未来高级文明可能利用太阳系内资源丰富的天体（如水星和火星）作为工业基地，通过自动化采矿、冶炼和制造系统生产大量太阳能卫星，逐步构建戴森群。

此外，人类目前也无法派足够的人力和物力去太空建造。未来可能需要足够数量的机器人去建造太空工厂，实现自动采矿、自动制造，这对于机器人和自动化等行业也提出了极高的要求。

总之，戴森球并未违反物理规律，而是一个理论可行、工程极端困难的大挑战，未来还需要足够长的时间进行充分探索。

参考文献：

Dyson F J. Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation[J]. Science, 1960, 131(3414):1667-1668.

Smith J. Review and viability of a Dyson Swarm as a form of Dyson Sphere[J]. Physica Scripta, 2022, 97(12): 122001.

Mijic R. Mercurial Dyson: Engineering the Rapid Disassembly of Mercury [EB/OL]. GitHub, 2024.

by 持之以恒

Q.E.D.

Q4

为什么新能源车在倒车的时候会“唱歌”?

by 匿名

答：

新能源车倒车时放出的声音其实是低速提示音。 我们平常坐车，如果留心就会发现电动车电机的声音相较于油车明显更小。叠加在低速的时候胎噪，风噪又小，使得有安全隐患的概率更大。2009年美国国家公路交通安全管理局统计过：在减速、倒车、进出停车位这类低速工况里，混动车撞上行人的概率更高。这并非驾驶员操作问题，主要是行人难以察觉车辆接近。针对此类现象，我国强制性国标GB 7258-2017要求，电动车在0-20km/h以及倒车时，应当发声。（相关声音见参考资料1中的音频）

至于倒车为什么响得格外积极是因为车尾是驾驶盲区，且车后的人更多是靠耳朵来发现我们。于是不少车在车尾又加了个独立的扬声器，然后音调、节奏和前进时区分开，让人们一听就知道这个车在后退。

最后关于旋律感，虽然法规对响度、频率组成、频移都有明确指标，但是对于音色限制就比较宽了。因此有的品牌会把提示音当成品牌音效来设计，所以未来感，旋律感就上来了。

参考文献：

by 柠七

Q.E.D.

Q5

日常说车速的“迈”具体是什么单位？

by 明

答：

迈在表示车速的时候是英里每小时，我国法定计量单位是公里每小时，km/h。国内销售的车上车速表标注的都是km/h的，但我们日常口头说的“迈”其实是不准确的，我们想表示的其实是公里每小时。如果真按"迈"（英里）算，高速上跑120迈相当于将近193公里每小时，那早就超速到飞起了。所以国内说"迈"基本就是在说"公里每小时"，只是口误沿袭成习惯了。

by 蓝多多

Q.E.D.

Q6

海边危险的离岸流是怎么形成的？

by Jerry

答：

离岸流的形成主要是由于压力差的驱动，具体的形成过程如下：

海浪的传播可以近似看作是机械波的传播，当其从海里传播到岸边时，由于海水变浅，摩擦力变大，海浪的波速会逐渐降低，当进入足够浅的近岸区域时，海浪的波形便无法保持稳定从而破碎，形成浪花。浪花中的海水在近岸区域逐渐聚集，使得岸边的水体升高，压力变大，形成由岸边指向海中的压力梯度。显然，岸边的水无法一直堆积，需要一个释放压力的方式，此时如果存在沟壑、礁石缝隙等深度比缓滩深、摩擦力更小的天然通道时，近岸的海水在压力差的推动下，更倾向于从这些区域向海中回流，即形成了危险的离岸流。

有些离岸流的流速极快，最高可达2-3m/s，远超普通人的游泳速度，是我们在海边游玩时最需要重视的潜在危险源之一。遇到离岸流时千万不要盲目逆着离岸流往岸边游，正确的做法应该是垂直于离岸流的方向向两侧游，因为一般的离岸流区域都相对较窄。

by 凉渐

Q.E.D.

Q7

海星的头在哪里？

by 丘鹬

答：

海星实际上是没有严格意义上的头的。它没有头部，没有大脑，体扁，星形具有中空的腕，成体多为五辐射对称。

海星的嘴长在身体正下方的中央盘上，许多海星能将胃外翻到贝类壳内进行体外消化，再把已分解的食物吸回体内，这是其独特的取食方式。管足排列在腕的腹面步带沟中，末端常具吸盘。它们能协同伸缩与吸附，使海星缓慢爬行、固定身体，并帮助撬开双壳类猎物。

海星等棘皮动物的神经系统是分散的，没有神经节或神经中枢，神经纤维与上皮细胞紧密相连。主要包括三套互不相连的神经结构：外神经系统（感觉神经，位于口面表皮下）、内神经系统（运动神经，位于步带沟边缘）和下神经系统（运动神经，位于围血系统管壁）。

海星虽然没有大脑，但是每条腕的末端都有一个眼点，是其唯一的感官，由80-200个色素杯小眼组成。每个小眼由上皮细胞组成杯状，其中有红色色素颗粒，盖在其外面的角质层加厚处作为晶体作用，即使把眼点都盖住，它也能对光产生反应。表皮中含有大量的神经感觉细胞，这些细胞具有长的突起，最后加入到上皮神经丛，它们构成感受器，对光、触觉及化学刺激均有反应。这些感觉细胞分布在整个体表，在管足、触手、步带沟边缘特别丰富。

参考文献：

廖春敏．动物知识百科．北京．西苑出版社．2010．35

周德庆．大海的馈赠．青岛．中国海洋大学出版社．2018．136

Knott, Emily. 2004. Asteroidea. Sea stars and starfishes. Version 07 October 2004.

by 蓝多多

Q.E.D.

Q8

为什么除草的时候会闻到一股草味？

by 17

答：

当草受到割草机等的机械破坏时，内部的植物细胞被撕裂，将会导致细胞内的酶开始分解细胞膜上的膜脂，产生亚麻酸和亚油酸。这些脂肪酸在氧气参与下被酶氧化以及裂解，生成通常包含12或6个碳原子的小分子片段，其实6个碳原子的挥发性小分子是青草味的主要来源。

赋予新鲜青草独特气味的“主力军”是顺-3-己烯醛。同时这个气味分子团队还包括顺-3-己烯醇（叶醇）、反-2-己烯醛（叶醛）等醛类和醇类。

有趣的是，研究发现这些物质不仅具有抗菌作用帮助植物抵御细菌感染、促进伤口愈合，还能够作为一种独特的“预警信号”传递给周围的植物，提醒它们提前启动防御机制。

参考文献：

Compound Interest What Causes The Smell of Fresh-Cut Grass?[EB/OL]. Compound Interest, 2014-04-25. https://www.compoundchem.com/2014/04/25/what-causes-the-smell-of-fresh-cut-grass/?noamp=mobile

by 玛卡巴卡卟

Q.E.D.

Q9

把羽片撕开无法复原，撕开处不能恢复原本闭合的状态，这是为什么？无法复原的裂开羽片会影响小鸟飞行吗？

by Jerry

答：

羽片撕开后无法复原的主要原因在于：羽毛的闭合是依靠大量微小结构相互钩连形成的机械连接。一旦这些结构被强行拉开，就很难重新排列。

羽毛的三级分支结构包括羽轴、羽枝、小羽枝、钩状结构。羽轴是中央坚硬的骨架，羽枝是从羽轴两侧伸出的较粗结构，小羽枝则是羽枝上的更细小分支。鸟类羽毛并非一片完整的薄膜，羽枝上的小羽枝通过钩状结构互相扣合，使大量微小结构共同形成连续羽片。当这些钩状结构被完全撕开或损坏后，羽片就无法恢复原状。

而撕裂的羽片对鸟类飞行的影响则要看裂口的位置和损伤程度。如果是轻微分叉和裂口，鸟通常可以通过啄羽重新梳理小羽枝，把它们重新扣起来。这也是为什么鸟会经常整理羽毛。但大面积无法复原的裂开羽片会明显影响飞行能力，此时羽片上的大裂口会使气流从裂缝漏过，就好比飞机机翼出现缝隙，这会导致阻力增加，升力下降，飞行时更费力且不稳定，鸟需要更多次拍翅才能保持同样的速度。对于这种严重的损伤，最终只能等待换羽。

参考文献：

Kovalev A, Filippov A E, Gorb S N. Unzipping bird feathers[J]. Journal of the Royal Society Interface, 2014, 11(92): 20130988.

Yu M, Wu P, Widelitz R B, et al. The morphogenesis of feathers[J]. Nature, 2002, 420(6913): 308-312.

by 持之以恒

Q.E.D.

Q10

为什么长时间不写字后写字会手抖？

by 匿名

答：

这个问题我们首先来看看人类为什么会写字，写字其实是一种很复杂的程序性记忆。小时候的笔画锻炼和听说读写塑造了神经网络的连接和运动模式，当我们每次重复调用这个字时，大脑神经元分泌神经递质，激活相关记忆。长时间不写字，那么书写动作的自动化程度和熟练度都会大大下降，也会对我们写字的流畅性造成影响。

另一方面，写字时需要手指、手腕和小臂肌肉的协同配合。长时间不写字，大脑对写字时需要的肌肉的调配能力下降，对笔尖和纸张之间接触的压力、位置等信息需要重新适应，导致你写字时特别不习惯。长期不写字，可能会导致我们的手指、手臂肌肉僵硬，进而更容易产生肌肉疲劳。尤其是在开学需要补大量作业的时候哈哈，不仅仅大脑的压力大，手指肌肉等的压力也很大，很容易就“写累了”。

当然还有最关键的一点，就是你的心理因素。长时间没有写字加上马上到来的截止时间，紧张的气氛激活交感神经系统，导致肾上腺素分泌增加，手部血管收缩和肌肉痉挛，更不会写字了，也就是以前人们常说的：“越急越乱越干不好”。

建议大家如果还有时间，慢慢恢复，每天练一小段时间的字。不仅能避免突然不会写，还能让你的字越来越好看，对每一笔的把握更加深刻。如果时间真的很紧急，调整呼吸，选一个好用点的笔，一点一点适应马上到来的高强度写作吧。

by LS

Q.E.D.

Q11

为何台风来临时晚霞会格外艳丽？

by 小福尔摩斯迷

答：

台风外围的下沉气流会把低空悬浮的微粒给向下压， 因此空气会显得更加通透，能见度也会高。曾经有新闻报道，有人曾在台风前用肉眼看清一百多公里外隔着海面的远方岛屿。所以，尘霾少了，光线也不会被搅浑，因此被大气“滤”剩的红橙光就显得更加纯粹了。另一方面，台风从海上搬来大量水汽。这些水汽在高空凝结成卷云。夕阳把这层薄云从底下打量，就是我们熟知的火烧云了。

不过别误会，霞大多发生在台风外围。等核心云墙压到头顶，厚厚的云把天盖死，我们什么颜色都看不到了。此外，台风和晚霞之间也没有必然的因果关系，只是这些条件在风暴来临前常常凑到一起。

参考文献：

by 柠七

Q.E.D.

Q12

乐器有可能模仿出人声吗？

by 一只猫

答：

乐器可以模仿人声，但难度高低取决于让它“说“什么。从声学上来看，人声的形成可以概括为声带振动 + 声道滤波 + 动态发音控制。

声带振动产生基频及其谐波，决定音高和基本音色；口腔、咽腔和鼻腔则通过共振形成若干个共振峰，决定“啊、衣、乌“等元音特征；再加上滑音、颤音、强弱变化以及辅音产生的噪声和瞬态，才构成了完整的语音。

其中，乐器最容易模仿的是基频、谐波、和音量包络。小提琴、萨克斯、大提琴等都能连续改变音高和强弱，擅长模仿声音的旋律性，因此很容易产生仿佛人在吟唱的感觉。

更难的是共振峰控制，即模仿不同的元音。人即使保持同一音高，只要改变舌位和嘴型，使共振峰移动，就能从“啊“变成“衣”或“乌”。普通乐器的共振结构比较固定，因此只能近似模拟元音；Talk Box、Vocoder等之所以更像人声，就是因为额外加入了动态频谱塑形。

最难模仿的是辅音和连续语音。/s/、/f/ 等需要湍流噪声，/p/、/t/、/k/ 需要快速闭塞和爆破，鼻音还涉及额外共振与反共振；而真实说话时，共振峰还会在几十毫秒内连续变化并相互影响。或许能够真实“说话”的乐器还不存在，除非我们把一台收音机或扬声器定义为一台“乐器”。（逃

参考文献：

Lieberman, P., & Blumstein, S. E. (1988). Speech Physiology, Speech Perception, and Acoustic Phonetics. Cambridge University Press.

by 冰糕

Q.E.D.

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本期答题团队

玛卡巴卡卟、冰糕、持之以恒、柠七、蓝多多、凉渐、LS

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