為什么他們射的箭拐著彎就到隔壁人腦袋上了！？| No. 501

不兒兄弟

同樣是射箭

為什么你的箭能拐彎

問答導航
Q1 為什么冬至不是一年里最冷的一天，夏至不是最熱的一天？
Q2 為什么用手機配夜空中間總有一團白？
Q3 水銀為什么會吞金？吞了還能吐出來嗎？
Q4 為什么金色不能用RGB表達？
Q5 皮蛋是怎么制作的？
Q6 辣椒的辣和姜的一樣嗎？
Q7 電熱水壺的水位線怎么得到的？
Q8 咬掉一側箭羽可以射出轉彎的箭嗎？

Q1 冬至是一年中北半球距離太陽最遠的一天，但為何這一天不是一年中最冷的一天？同理夏至為什么不是最熱的一天？

by IOOIZIO

答：

首先需要糾正一下地理知識，冬至這天并不是地球距離太陽最遠的一天。相反，北半球夏天的時候反而離太陽更遠。所以與太陽的距離并不是決定冬至是不是最冷的關鍵，要看積溫。

地球繞太陽公轉時間點示意圖 | 圖源：網絡

地球的氣溫由太陽輻射進地球的能量和地球散失的能量共同決定。冬至這天北半球接收太陽的輻射能量固然最少，小于地球這天散失的能量。但之后的一段時間內，雖然太陽直射點北移使得北半球白天照射時間增加，進入地球的能量增多，可是北半球每天接收的能量仍然小于散失的能量，所以整體的熱量入不敷出，氣溫還會繼續(xù)下降。直至每天接收的能量能夠與散失的能量持平，此時的氣溫就達到了最冷，這個時間點差不多就處在我們熟知的“三九天”。

同理，夏至也不是一年中最熱的一天。夏至之后日變短，夜變長，北半球雖然每天接收的能量逐步減少，但是仍大于每天散失的能量，熱量不斷積累，北半球的氣溫不斷上升。直至每天接收的能量能夠與散失的能量持平，此時的氣溫就達到了最熱，這個時間點差不多就處在我們熟知的“三伏天”。

by endlesscliff

Q.E.D.
Q2 用手機拍夜空，為何中間總是有一團明亮的白色，白天卻沒有？

by 匿名

答：

這其實是一個在手機夜景攝影中非常常見的現(xiàn)象。從光學角度看，畫面中心對應鏡頭的光軸，光線幾乎是直著射入傳感器的，損失最小；而越靠近畫面邊緣，光線進入的角度就越斜，在鏡頭內部走的路徑也更長，更容易被鏡筒等結構擋掉一部分。結果就是，傳感器中心能接收到更多光子，而四周天然就更“吃虧”，形成一種中間亮、邊緣暗的分布，這在光學上被稱為漸暈。

那為什么白天拍照時幾乎感覺不到這種問題？其實白天的照片同樣存在暗角，只是因為光線非常充足，手機在后臺會自動把畫面四周提亮進行校正。白天信號強、噪聲低，這樣做幾乎沒有代價，人眼也很難察覺。

到了夜晚，情況就完全不同了。夜空本身就很暗，畫面中的亮度多半來自城市燈光在空氣中的散射。中心區(qū)域還能勉強積累到這些微弱的背景光，而邊緣區(qū)域因為光學漸暈，本就接近“信號不足”的狀態(tài)。如果算法強行把邊緣拉亮，噪點就會迅速冒出來。為了讓照片整體看起來更干凈，算法往往選擇保留中心亮度，同時壓暗四周，于是中間那團泛白就顯得格外明顯。

簡單說，這是物理光學限制和夜景算法取舍共同造成的結果。在空氣更通透、光污染更低的環(huán)境拍攝，這種現(xiàn)象通常會明顯減輕。

參考資料：

1. Nakamura, J. (2006). Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras. CRC Press.

by 檸七

Q.E.D.
Q3 水銀為什么會吞金？被水銀吞了的金子還能分離嗎？如果能怎么分離？

by 窩腰鹽π

答：

當我們把水銀滴到金箔上，會發(fā)現(xiàn)金箔慢慢被水銀”吃進去”，最后變成一個銀色的小球（這說明什么，做汞實驗的時候不要帶金首飾！！）。其實幾乎所有的金屬都可以與汞結合，并在一個被稱為“汞齊化”的過程中形成合金。人們將這種合金稱為“汞齊”。而像汞與金化合所形成的合金就叫做“金汞齊”。

但是不要過度擔心，金的汞齊化過程被用于工業(yè)規(guī)模上金的精煉和提純，所以還是能分離的。而且古代煉金術就是用汞來煉金的，可以利用加熱或者化學處理(比如濃硝酸)來分離汞。濃硝酸不與金反應，可以將汞溶解其中，但是在反應過程中會生成二氧化氮氣體，呈明顯的黃色，這也是有毒的。

比如以前的鐵器鍍金，就是先把黃金溶于汞，得到糊狀的金汞合金(這是里面還有游離的汞，沒全部形成汞齊)，把這些漿糊涂在器物表面再加熱就能使汞揮發(fā)，使得黃金與金屬表面固結，最終呈現(xiàn)出光亮的金黃色鍍層。這種方法也被稱為“火法鍍金”。

而在我國古代，也曾出現(xiàn)過利用水銀來煉金的方法。他們先將含金的礦石挑揀出來碾碎、研磨成礦石粉，接著用水把碎石與金砂分離，完成淘金的過程，隨后加入水銀反應，并用火燒除雜質回收水銀，在回收的水銀中再加入數(shù)倍的銀，金就被置換出來了，最終通過加熱至1300℃變成純金溶液，倒入金模便可制成純金的金條了。

但是需要注意汞蒸氣是有毒的，千萬不要在家做哦。

參考資料：

1. 曹靜樓.傳統(tǒng)的“鎏金”工藝[C]//文物保護技術（1981～1991）.[出版者不詳],2010:242-248.

2. 莫祖榮,徐志,黃超,等.千足金首飾變白現(xiàn)象探討[J].寶石和寶石學雜志,2010,12(02):41-42+60.

by 藍多多

Q.E.D.
Q4 為什么金色不能用RGB表達呢？

by man

答：

首先我們對這個問題進行更準確的定義：單純的金黃色是可以用RGB表達的，但RGB無法表達出來我們生活中常見金色的“質感“，也就是金屬感。

RGB（紅、綠、藍）是一個混色模型。它定義的是彩色空間中的一個坐標點。當你輸入(255, 215, 0)時，你會得到金反射光線中最主流的顏色。它看起來偏黃偏暖偏褐，但更像黃色油漆而不是金屬的金色。

金色的金屬感是從何而來的呢？來源于金屬表面對光的反射機制。生活中常見的物體例如紙張等會讓光線在表面發(fā)生漫反射，將光反射到四面八方，因此看起來相對溫和。而金屬物體表面會更多地發(fā)生鏡面反射，表現(xiàn)出極強的定向反射特性，因此往往伴隨著很強的高光感。金色之所以看起來“閃瞎眼”，是因為它的亮度范圍跨度極大。真正的黃金在直射光下產生的高光亮度，往往比周圍環(huán)境高出幾個數(shù)量級。而傳統(tǒng)的 RGB 顯示器的對比度極其有限，它無法模擬出那種足以引起生理性眩光的物理亮度，只能用類似的黃色來“敷衍”。

從凝聚態(tài)物理的角度看，金色的本質源于金原子的自由電子氣。金屬的內部自由電子密度較高（這也是金屬導電性好的原因之一），根據(jù)德魯?shù)拢―rude）模型，金屬內部的自由電子在光也就是電磁波的作用下會發(fā)生集體振蕩，因此對光的反射率較高。金對藍紫光的吸收較強，而對黃光的反射率極高，因此形成了我們常看見的高光“土豪金”。

既然單一的RGB表達不了金色，為什么我們在電腦屏幕上還能看到“金色”的物體呢？

這涉及到計算機圖形學中的物理渲染技術。在建模過程中，我們往往首先設定一種暗黃色的基礎色，通過調整粗糙度和環(huán)境貼圖等參數(shù)讓物體去反射周圍的圖像。我們在屏幕上看到的金色，其實是一系列不同強度的黃色RGB像素點組成的明暗和對比度變化來對現(xiàn)實中的金屬質感進行模仿。

by 單身男青年

Q.E.D.
Q5 皮蛋是怎么制作的？古人是怎么想到使用這種方法來制作皮蛋的？

by 匿名

答：

皮蛋的傳統(tǒng)制作方法一般是使用生石灰、純堿、食鹽、草木灰等材料加水混合形成石灰泥，在鴨蛋表面裹上石灰泥再裹上一層稻草，放入密閉容器中避光靜置一個月以上，取出后在通風環(huán)境里再靜置數(shù)日即可得到成品。

皮蛋制作過程中使用到的石灰泥（左）和稻草（右）| 圖源：網絡

由于石灰泥提供了強堿環(huán)境，在鴨蛋密閉靜置期間，其會使鴨蛋中原有的蛋白質變性，進而形成深色凝膠狀物質。蛋黃中的鐵離子會和蛋白質分解產生的硫化物化合生成硫化亞鐵，所以皮蛋的蛋黃會呈現(xiàn)灰綠色。蛋白表面有時能看到雪花狀晶體，這是石灰泥中鹽析出后產生的結晶。

關于古人是如何想到制作的皮蛋這個問題，目前說法很多，但更多是傾向于古人為了保存過剩的鴨蛋，使用身邊常見的草木灰、石灰、泥土等材料對鴨蛋進行封存，然后偶然發(fā)現(xiàn)“變質”后的鴨蛋居然還有不錯的風味，于是開始回溯整個過程，進而將制作的配方廣為流傳。現(xiàn)在工業(yè)上大都直接將鴨蛋浸泡在堿液里來制作皮蛋，這樣時間周期短，也容易控制成品的質量。

參考資料：

by Eric

Q.E.D.
Q6 辣椒的辣和姜的辣一樣嗎？

by 293

答：

先說結論：完全不一樣。

正如往期專欄中科普過的，辣本質上不是味覺，而是一種由化學物質引發(fā)的“痛覺”和“熱覺”。辣椒的主力軍是辣椒素，它極其“兇猛”，專門靶向并死死結合口腔中的TRPV1受體（負責感受約43℃以上高溫和痛覺）。因此，辣椒帶來的往往是直擊靈魂、尖銳且強烈的火燒火燎感。

相比之下，姜的辣味就顯得“溫婉”且富有層次多了。生姜的辣味主要源于姜辣素。當姜辣素接觸口腔時，它也會激活TRPV1，但結合能力比辣椒素弱得多，所以刺痛感不強。同時，它還會激活TRPA1受體（這也是感受芥末、大蒜辛辣感的受體），從而帶來一種帶有特殊芳香、向四周發(fā)散的溫熱感。

更有趣的是，姜的“化學武器”是會進化的！如果你把生姜曬干變成干姜，或者拿去熬熱姜湯，生姜中的姜辣素就會在脫水和加熱的作用下，轉化為姜烯酚。姜烯酚的辣度幾乎是姜辣素的兩倍，并且對熱覺受體的刺激更強烈。這就完美解釋了為什么俗話說“姜還是老的辣”，以及為什么熬煮過的濃姜湯喝下去，會有一股從口腔順著食道一路暖到胃里、讓人微微發(fā)汗的辛熱感。而如果在紅燒肉里長時間高溫燉煮，這些辛辣物質又會進一步降解成姜酮，此時辣味會大幅降低，反而會散發(fā)出一絲類似肉桂的甜香。

簡單來說，辣椒的辣是舌尖上的“狂轟濫炸”，而姜的辣則是游走于臟腑間的“溫熱敷”。

參考資料：

1. McGee, H. (2004). On Food and Cooking: The Science and Lore of the Kitchen. Scribner.

by 檸七

Q.E.D.
Q7 電熱水壺里的最高/最低水位線是怎么得到的？

by M.W

答：

電熱水壺的加熱部位位于壺底，通電時將電能轉化為熱能給壺中水加熱。如果壺中水量太少，首先可能導致干燒，會損壞加熱盤、溫控器等零件。其次，電熱水壺斷電是依靠水蒸氣的熱量使熱敏金屬片變形從而斷開開關，若水量太少則無法讓熱敏金屬片準確感應到水蒸氣從而導致斷電延遲，進而可能引發(fā)危險。目前市面上常見的電熱水壺容量在1.8L上下，而最低水位線一般會設置為500ml，基本就可以避免上述問題的發(fā)生。

最高水位線的設置相對較好理解，由于水燒開后劇烈沸騰，產生大量氣泡，若壺內水量過多，則水會從壺中溢出造成危險，所以一般要留出10-20%的空間。此外，如果壺內水太滿，在燒開時會有大量高溫液態(tài)水直接濺射到壺蓋上，可能會對壺蓋內的溫控組件造成影響。所以容量在1.8L左右的電熱水壺，一般最高水位線會設置為1.5L。

by Eric

Q.E.D.
Q8 咬掉一側的箭羽，可以讓射出的箭轉彎嗎？其中的原理是什么？

by 付小狗

答：

問題視頻來源網絡

感謝這位同學的提問！這個問題看似來自影視橋段，但背后其實涉及一個非常有趣的空氣動力學問題：飛行物體的穩(wěn)定性與擾動響應。我們今天就來探討一下，咬掉箭羽，箭到底會不會拐彎。

答案很明確：咬掉一側箭羽不僅不能讓箭優(yōu)雅地繞彎，反而會讓它飛得又歪又短，甚至原地翻滾。要回答這個問題，我們首先來搞清楚箭羽的作用。很多人以為箭羽只是傳統(tǒng)工藝的殘留，其實不然。箭羽的作用類似于飛機的尾翼、導彈的方向舵、羽毛球的軟尾，它們共同的目標是讓物體頭朝前、穩(wěn)著走。具體來說，箭羽的主要功能是提供靜穩(wěn)定性。箭的重心靠前（箭頭金屬重），而箭羽位于尾部，增加尾部的空氣阻力面積。當箭飛行方向偏離時，尾部受到的空氣阻力更大，形成恢復力矩，把箭拉回正軌。這就像不倒翁，偏了也會自己回來。

此外，由于箭桿必須從弓的側面出發(fā)，被弦推動時會發(fā)生橫向振動。箭羽可以提供橫向阻尼進行矯正，抑制箭的橫向振動。螺旋式箭羽還可以使箭在飛行中緩慢旋轉，產生陀螺效應，進一步增強方向穩(wěn)定性。這一點和步槍膛線讓子彈旋轉的原理如出一轍。

如果咬掉一側箭羽，原本對稱的空氣阻力被打破。箭尾一側受風面積大，另一側小，飛行中會產生持續(xù)的側向力矩，導致箭體不斷偏轉。這種偏轉不可控也不可預測，因為空氣流動太復雜，微小差異會導致巨大結果偏離，這是混沌系統(tǒng)的典型特征。電影中的咬掉一側箭羽從而使箭發(fā)生偏轉命中對手，是進行了藝術加工，基本不可能存在于真實世界中。

by 單身男青年

Q.E.D.
投票 本期答題團隊

單身男青年、Eric、藍多多、檸七、endlesscliff

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