羽毛球飛行過程中為什么能保持羽毛一直朝后？ | No.492

我們日常打羽毛球時，

可以看到球飛行時羽毛基本都朝后，

這是怎樣一個物理過程呢？

問答導航
Q1 冬天兜里裝藍牙耳機或手機可以減少靜電嗎？
Q2 老式鐘表為什么沒了電池指針還能走
Q3 云的形狀受什么因素影響？
Q4 冬天皮膚干燥起皮與洗澡搓出的泥有什么關系？
Q5 天然雪花的精美圖案是怎么形成的？
Q6 磁鐵是怎么做出來的？
Q7 為什么人在吃辣或高溫食物是容易流鼻涕？
Q8 給三十萬公里長的電箱通電，上面的所有燈泡會一起亮嗎？
Q9 一種介質是否均勻是否與對光的折射率差異有關？
Q10 為什么截屏過后照片像素會降低？ 
Q11 羽毛球打起來為什么永遠毛朝向后面？

Q1 冬天兜里裝一節干電池能減少靜電，裝藍牙耳機/手機 是不是也可以

by 匿名

答：

“攜帶電池可以防靜電”的說法，已被科學證偽。這個說法的錯誤在于，它認為電池的正極可以像磁鐵一樣“吸走”你身上多余的負電荷（靜電）。實際上，電池是一個封閉的化學能轉化系統。它內部的電荷移動，必須通過外部完整的導電回路（比如連接燈泡）才能定向、持續地進行。靜電釋放是瞬間的、高電壓的單一事件，電池的化學反應無法對此做出響應。

當你拿著電池去觸碰金屬物體時，真正導電的是電池外層的鋅皮（負極）。你、電池外殼和門把手之間形成了一個瞬間的導電路徑，靜電電荷通過這個路徑被釋放。這個過程和你握著一把鑰匙去觸碰門把手完全一樣。電池內部的化學物質和結構在這個過程中沒有參與，只是被動地提供了一個金屬導體。

你可以做一個簡單實驗：用絕緣的塑料紙把整個電池包起來，只露出正極的“小銅帽”再去觸碰。你會發現靜電無法被釋放，因為電荷無法通過絕緣的塑料到達作為主要導體的鋅殼。這直接證明了起作用的是作為導體的外殼，而非電池本身。

真正有效的方法是：增加環境濕度（如使用加濕器）、穿著棉麻等天然纖維衣物、觸摸金屬前先用鑰匙或墻面釋放電荷。這些方法能從源頭減少靜電產生或確保其安全釋放。

by clouds

Q.E.D.
Q2
老奶奶家的鐘表二十多年了，有一次我拿下來把電池拿下來，為什么沒有電池指針還能走？

by 范文波

答：

首先，奶奶家的鐘表可能是一種“雙系統”的掛鐘。它既有電子部分，又有機械部分。這種鐘表內部通常有兩套獨立的動力系統。

把電池卸了，鐘還能動，是機械發條在起作用。老式鐘表的機械發條通常是一個螺旋狀的金屬彈簧，安裝在機芯內，通過上弦來儲存能量，為鐘表的運行提供動力。

平時有電池的時候，電池提供的電力驅動一個微型步進電機，這個電機帶動齒輪，從而推動指針。此時的機械系統可能存在兩種狀態情況：一種是用電機的力量來自動給機械發條撥弦；或者是另一種，發條一直處于半滿的蓄力狀態，但被電子系統“鎖住”或覆蓋住了。取出電池后，電力消失。此時，已經被上緊的或者半緊的機械發條被釋放了，它儲存的彈性勢能開始轉化為動能，繼續驅動齒輪和指針。所以會看到指針在沒有電池的情況下繼續走。

發條儲存的能量是有限的，當這部分能量用盡之后，指針就會徹底停下來。

老式機械時鐘的工作原理

by 4925

Q.E.D.

Q3 云的形狀受什么因素影響？為什么風有時會使云“平移”，有時會改變云的形狀？

by ??

答：

云的形狀受眾多因素影響，首先是濕度與溫度分布，直接影響了云能否形成；其次是氣流運動，垂直向上的強氣流可以形成塊狀云如積云，下沉的氣流可使云消散或扁平化；大氣的穩定性也會改變云的狀態，大氣穩定性，簡單說是指空氣塊在受到外力（如被地形推升、受熱等）產生垂直位移后，其自身是否回到原狀態，穩定大氣中云易呈層狀如層云，不穩定大氣可形成塔狀積雨云；地表及地形特征也能顯著改變云的狀態，如山脈迫使氣流抬升，形成地形云如帽狀云。

而風對云的形態改變差異取決于風是否均勻、是否存在湍流或風切變。均勻氣流推動云整體平移，而不均勻氣流會撕裂、拉伸或重塑云的形態。不同高度的風速/風向差異會拉伸、扭曲云體（如由于風速和風向劇烈變化加之大氣層的冰晶形成鉤卷云，可預示這兩三小時內將有降雨）。這一動態過程也解釋了為什么云能成為觀測天氣變化的直觀指標之一。

by clouds

Q.E.D.
Q4 冬天皮膚干燥起皮與洗澡時搓出來的泥有什么關聯嗎？為什么前者是白色的屑狀，后者是黑色的長條狀？

by 匿名

答：

很有畫面感的提問（霧），二者關聯在于它們都含有我們皮膚新陳代謝自然脫落的角質細胞。但二者的成分、形成過程與形態差異較大，關鍵在于“混合物”的性質與皮膚的健康狀態。

干燥起皮是一種皮膚屏障受損的表現。冬季寒冷干燥，皮脂分泌減少，角質層缺水缺油，結構變得松散脆弱，本應隱形脫落的角質細胞此時便會成片地翹起、脫離，形成我們看到的大量白色屑狀物。它的成分較為單一，主要是干燥角質。

而洗澡時搓出的“泥”，則是皮膚正常代謝與外界環境相互作用的自然產物。“黑泥”的成分復雜得多，除了脫落的角質細胞，還混合了皮膚分泌的油脂、汗液，以及附著在皮膚上的灰塵、污染物和纖維等。皮脂、汗液等像膠水一樣將這些物質粘合在一起（因此能搓成條），并于皮膚表面堆積、發生氧化等化學反應，最終形成了我們看到的灰色的（或更深顏色的）油膩的條狀物。

因此，當皮膚上出現大量干燥皮屑，這實際上是在提醒你應該加強保濕修復了；而洗澡時搓出來的“泥”確實是皮膚正常工作時與環境相互作用的副產品，不過，不建議頻繁、過度用力搓洗來去除“泥”，這樣可能傷害皮膚健康的角質層，甚至導致皮膚變得干燥、敏感。在冬季，建議通過環境加濕、多喝水、使用溫和的沐浴露以及在洗澡后及時保濕等手段鎖住水分，使皮膚在健康的狀況下進行工作。

by 滪旸

Q.E.D.
Q5 天然雪花??精美的圖案是怎么形成的？

by 喬小魚

答：

雪花的精美圖案，是水分子的微觀晶體結構與雪花在云層中經歷的環境變化共同塑造的結果。

雪花的一切始于水分子。水分子在結冰時，會通過氫鍵排列成能量最低、最穩定的六角形晶體結構。這種結構一旦形成，就決定了無論雪花長成什么樣，它的基本形狀一定是六邊形，這相當于雪花的“基因”。而真正讓雪花變得精美復雜的，是它在云層中的生長過程。雪花通常由水汽直接凝華形成，在不斷吸附水分子的過程中，晶體的六個角比平滑的邊更容易“伸進”周圍潮濕的空氣中，因此能更快捕獲新的水分子。這種細微優勢會被不斷放大，使六個角優先生長，逐漸拉出主枝，并在其上分化出更細小的分支。

與此同時，雪花在下落過程中會穿越不同溫度和濕度的氣團，環境條件會直接決定雪晶的生長方式：有時更傾向于形成簡單的板狀或柱狀結構，而在特定溫度和較高濕度下，則會爆發式生長出復雜的樹枝狀圖案。

由于雪花極其微小，它的六個角在同一時刻幾乎感受到完全相同的環境，因此生長始終保持高度對稱；但每一片雪花下落的路徑都不可能完全相同，經歷的溫濕度變化序列也各不一樣，于是遵循同樣物理規律的雪花，最終卻呈現出幾乎不重復的圖案。

換句話說，每一片雪花，都是一段被凍結下來的大氣物理過程。

參考資料：

1. Libbrecht K G. The physics of snow crystals[J]. Reports on Progress in Physics, 2005, 68(4): 855.

by 檸七

Q.E.D.
Q6 幼兒園大班小朋友問，磁鐵是怎么做出來的，請問如何給他解釋

by 匿名

答：

這位小朋友，這是一個非常好的問題。

磁鐵的前身是一塊普通的鐵，比如你吃飯用的勺子。

不知道你有沒有想過一個問題，如果你用力把一塊鐵片掰斷，它會變成兩小片，繼續掰，會變成更小的四片、更更小的八片……你有沒有想過你可以一直無限地掰下去嗎，什么時候你就再也不可能把它分得更小了？答案是你掰到只剩下一個“鐵原子”的時候。“原子”就像樂高積木里最小的零件，它們一個一個疊起來，形成了你看到的萬事萬物。

所以，普通的一塊鐵，就是由這些超級小的鐵原子堆疊起來的。而且，每一個鐵原子都是一個天然的吸力很弱的小磁鐵，就像一個指南針。但是，一個鐵原子的吸力太小了，根本不足以讓整塊鐵吸在黑板上，那要如何增強它的吸力？就是要讓一堆這樣的指南針指向同一個方向，這樣它們的吸力就會疊加在一起，形成一個巨大的吸力，這樣，這些鐵原子齊心協力，就能讓這塊鐵吸在黑板上。

所以普通的鐵和磁鐵的區別就是：普通鐵里的這些小指南針不是指向同一個方向，而是全部都亂七八糟的；而磁鐵里的小指南針們全部都指向同一方向。

所以工廠里的工人是怎么制造磁鐵的呢？其實本質上就是通過加熱、加強磁場等方式，讓本來亂七八糟排列的這些小指南針（鐵原子）全部指向同一個方向，就做成了可以吸在黑板上的磁鐵了。

by 叉叉

Q.E.D.
Q7 為什么人在吃飯時（特別是吃辣味或高溫食物時）容易流鼻涕？

by GoForIt

答：

這是一種被稱為味覺性鼻炎的生理反射。簡單來說，是進食帶來的強烈刺激讓你的神經系統“反應過度”，誤以為需要啟動清洗機制，從而指揮鼻腔大量分泌黏液。

這一現象的核心在于神經反射的“串線”。當你吃辣時，起作用的其實不是味蕾，而是化學刺激。辣椒中的辣椒素會激活口腔和咽喉黏膜上的 TRPV1 受體。這個受體本質上是負責感知高溫（>43℃）和疼痛的，因此大腦接收到的信號并不是“美味”，而是“這里著火了”或“這里受損了”。這個緊急信號通過面部的三叉神經傳入大腦，為了應對這種潛在的“傷害”，中樞神經系統會反射性地激活副交感神經。副交感神經是鼻腔分泌的總指揮，它一下令，鼻黏膜下的血管就會擴張，腺體開始瘋狂工作，分泌出大量清澈的液體（鼻涕），原本的生理目的是試圖沖刷掉那些“有害”的刺激物。

高溫食物也可以通過類似方式誘發流涕。口腔和咽喉的溫度感受器在受到明顯熱刺激時，同樣會通過神經反射引起副交感神經興奮，使鼻腔血流和分泌增加。這是一種保護性反應，有助于維持上呼吸道黏膜的濕潤與穩定，而并非熱量直接“作用”在鼻腔上。

所以，餐桌上的這種尷尬場面，恰恰證明了你的感覺神經敏銳，且神經反射通路暢通無阻。

參考資料：

1. Raphael G D, et al. Gustatory rhinitis: a mechanism of spicy food-induced rhinorrhea[J]. Journal of Allergy and Clinical Immunology, 1989, 83(1): 110-115.

by 檸七

Q.E.D.
Q8 長30萬公里（假設電流速度等同于光速）的串聯電路，每一萬米一個燈泡，當開關閉合時，燈是如何亮起來的？一秒以后所有燈同時亮起來？？還是從正極亮到負極？亦或反之？還是正負極同時出發亮到中點？

by 吳昊天

答：

先澄清兩件事：

1.電流速度是不可能達到光速的，或者說，一切實物粒子都不可能加速到光速。目前能量最高的輕子對撞機（在斯坦福直線加速中心（SLAC））也只能把電子束加速到約10 GeV——99.9986%光速。真實電路中載流子速度很低，以家庭電路中常用的1mm2銅導線通1A電流為例，電子平均漂移速度大約只有** 0.1毫米/秒。**

事實上，接通電路時，真正以接近光速建立電路的是電磁場。（真空中電磁場傳播的速度是光速；之所以接近光速是因為現在電磁場在導體內傳播）

2.正極、負極不是獨立在電路之外的兩個點，而是嵌入在電路內的。舉個例子，電池的正極(+)負極(-)之間有電勢差，“外電路”中電子從(-)運動到(+)。但電池內部呢？電子只可能從(+)運動到(-)。電池內也是電路的一部分，正因為電池內的化學反應在這一小段“內電路”上建立了電動勢，強迫電子逆著電勢從(+)移到負極(-)，才能維持電子在回路中循環往復。但電池只是一個特例，電動勢并不一定只占一小部分電路。比如，在回旋加速器里，整個電流“回路”上都有電動勢的存在，根本不能區分內外電路！

你描述的情況是什么樣的呢？讓我們建模一下：兩條三十萬公里的直導線拼成一條回路，在兩端建立正極和負極——那么兩條導線就必有一條是內電路，也就是一個三十萬公里長的“電池”（笑）。內電路中，從負極到正極，電勢不斷上升（設從0升到V）；而外電路中，在開關的斷點兩側，電勢差搬來了大量電荷積累在這里，它們形成了“抵抗電壓”，使斷點處的電勢斷崖式下跌，從V跌回了0——整個電路的電壓集中在開關斷點處！

接通開關后，斷點處的電荷洪流般集體通過，“抵抗電壓”迅速消失。但電磁作用是局域的，一個點上電勢突然變化，但其他地方的電勢不會立刻變化，而是導線激發出的電磁波以光速傳播，電磁波到達的地方，電勢才“后知后覺”地上升/下降，形成局部的電勢差，驅動此地的電子運動形成電流。

所以答案是：既不是兩極，也不是同時，更不是中點，而是取決于你的開關位置，從開關亮到兩極！

在理想情況下，導體的電磁阻尼為0，電磁場嚴格以光速傳播，開關同側相鄰兩個燈泡亮起的時差約1/30000秒。肉眼不可能看到間隔。

by 竹銘

Q.E.D.
Q9 光通過不均勻介質時會發生散射，請問判斷一種介質是否均勻是看介質中的不同物質的折射率差異大小嗎？

by 匿名

答：

判斷一種介質對光是否“均勻”，不只是看它有沒有不同成分，還要看這些差異出現的尺度是否接近光的波長。只有當結構尺寸“恰好被光看見”時，光才會被明顯散射。

光是一種波，它感知世界的“分辨率”大約是自身的波長——可見光約為幾百納米。如果介質內部的結構變化遠小于這個尺度，即使內部并不完全均勻，光在傳播時也只能感受到一個被“平均”后的折射率，幾乎不會被打散，因此看起來是透明的。水和玻璃正是如此：分子層面并不均勻，但對光來說足夠平滑。當然，這并不意味著小尺度結構完全不散射光。當結構遠小于波長時，仍會發生瑞利散射，只是強度很弱，通常只有在傳播距離很長、或粒子數量極多時才會顯現出來，比如讓天空呈現藍色。

當結構尺寸接近或大于光的波長時，情況就不同了。此時光可以“分辨”出顆粒的存在，在折射率發生突變的邊界上被明顯偏轉，形成強烈散射，也就是常說的米氏散射。霧、牛奶、干粉筆之所以發白，正是因為其中的微粒尺寸恰好落在這個范圍內。濕粉筆變透明，則是因為水填充了原本充滿空氣的縫隙，大幅降低了顆粒與周圍介質之間的折射率差異，使光不再被強烈打散。

因此，一種介質對光是否“均勻”是折射率差異與結構尺度共同決定的光學結果。光看到的，從來不是物質本身，而是它們在特定尺度下的“起伏”。

參考資料：

1. Born M, Wolf E. Principles of Optics[M]. 7th ed. Cambridge University Press, 1999.

by 檸七

Q.E.D.
Q10 為什么截屏過后照片像素會降低？

by 好奇

答：

截屏后照片像素降低，主要原因在于截屏獲取的并不是原始圖像文件，而是屏幕當前顯示內容的再記錄。首先，截屏的分辨率受到屏幕分辨率的直接限制。當原始照片的分辨率高于設備屏幕分辨率時，圖像在顯示過程中已經被縮小，截屏保存的只是縮小后的畫面，因此其像素數量必然低于原圖，細節也隨之減少。

其次，操作系統或應用在顯示圖片時通常會進行縮放與適配處理，例如根據窗口大小或系統縮放比例對圖像進行重新采樣。截屏所保存的是經過這些處理后的顯示結果，而非原始像素數據，這種重采樣過程容易導致圖像清晰度下降。此外，系統在保存截屏時往往會對圖片進行壓縮，尤其是在采用有損壓縮格式時，部分圖像細節會被不可逆地丟棄，從而進一步降低畫質。 最后，不同設備之間的像素密度差異也會加劇這一現象。高像素密度屏幕上的圖片在顯示時看起來十分清晰，但截屏后的圖像在其他設備上放大查看時，由于實際像素數量有限，容易顯得模糊。綜上所述，截屏后照片像素降低是屏幕分辨率限制、圖像縮放與壓縮以及設備顯示特性共同作用的結果。若需要保留原始畫質，應盡量直接保存或導出原圖文件，而非通過截屏方式獲取。

by 星空

Q.E.D.
Q11 羽毛球打起來為什么毛永遠朝外？

by 匿名

答：

這是一個非常細致的觀察。要回答這個問題，首先要從羽毛球的結構出發，羽毛球的設計是一個“頭重腳輕”的不對稱體，其前端的球頭由軟木或合成材料制成，體積很小，卻集中了整個羽毛球的大部分質量；后端的羽毛裙質量很輕，但有效橫截面積很大，且呈發散展開的姿態。這種結構使得球的重心極度靠近球頭，同時使得羽毛球在飛行時羽毛部分會受到遠超球頭的空氣阻力。

當羽毛球被擊打出去后，這種差異就體現出來，羽毛球的確是被我們以羽毛向前的姿態發出去的，但由于羽毛球被擊打出去（發球）時不可能筆直向前飛行，而是必定在豎直面內與水平方向有夾角，羽毛上的巨大空氣阻力與球頭受到的較小阻力之間的阻力差會對羽毛球的質心（集中在球頭附近）形成一個反向的轉動力矩——其效果乃是“扳正”，使羽毛球旋轉為球頭朝前、羽毛朝后的姿態，只要羽毛的阻力始終可觀地大于球頭，即使遇到氣流干擾，這種力矩也會穩定生效，持續修正，使得羽毛球不會偏離這一姿態。簡單推演還可以知道，當羽毛球在飛行過程中球頭在水平面內不是正對飛行方向（側偏）時，類似的力矩也會發揮矯正作用，使羽毛球在水平面內發生向另一側的轉動，將羽毛球飛行的方向調整到球頭正對前方。而此時羽毛球對稱分布的16根羽毛便會確保各個方向的受力基本均勻，避免單側阻力過大導致偏移。（這也使得如果“殺球”過猛，即使只有一兩根羽毛折斷，羽毛球的飛行效果就無法令人滿意了）而質量集中的頭部有著較大的慣性，因此在基本穩定后可以保持向前運動的趨勢，而不容易被改變，這強化了球頭朝前，羽毛朝后的穩定性。

by 滪旸

Q.E.D.
投票 本期答題團隊

星空、竹銘、clouds、滪旸、4925、檸七、叉叉

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編輯：涼漸