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钢化玻璃为什么能裂开但又没完全裂开

2023/6/11 19:38:07 来源:中科院物理所 作者:Frions 责编:梦泽

钢化玻璃是怎么制成的?
为什么它被砸击后
会先在内部裂开
而外侧仍然保持完好?

Q1、原子弹爆炸原理是核裂变,核裂变这个过程是怎么被引燃的?

by 小喵

答:

核裂变是一直存在的,需要“引燃”的是持续的链式反应

核裂变是原子核的固有性质。放射性核素的原子核每时每刻都可能衰变成其他原子核并释放能量,如果一段时间内,原子核由于衰变浓度降低到初始时一半,那么这段时间就叫做这种放射性核素的半衰期。以最著名的铀-235 为例,它的一条主要衰变路径是在俘获一个中子以后裂变成钡-141 和氪-92,并释放出三个中子。这个过程会释放很多能量。如果释放出的三个中子也都能分别和一个铀-235 结合,那么反应就会以指数形式扩张,热量也就会迅速积累,成为核爆的能量来源,整个过程被称作“链式反应”。但是如果铀-235 原子数量不够多,中子就可能无法撞击到铀原子核中,导致链式反应终止。为保证反应持续进行,需要保证铀块的最低量 —— 临界质量临界体积。低于这个临界值的铀块就不能使链式反应持续进行。实际原子弹是将两块体积大于一半临界体积而小于一个临界体积的铀块分开放置,并在外围包上一层 TNT 炸药。起爆时,引爆 TNT,冲击波将两个铀块推到一起,形成一个体积大于临界体积的新铀块。此时链式反应即可持续进行。

by 井筠

Q2、为什么我用蛋白粉的勺子挖起来一勺蛋白粉之后,勺子外表面会有像刺猬一样的刺形成?

by 小李不熬夜

答:

看到这个图就让小编想起了在干燥间称量粉末状药品时,药匙上也经常会出现这样的现象。

图中这个现象其实就是静电导致的。一般这种食用蛋白粉,厂家会为了保证质量使得罐体内尽可能干燥,以免粉末受潮变质。而塑料勺在使用过程中又会经历各种各样的摩擦,在这样的干燥环境下,勺子就很容易带上电。粉末状的固体因为质量轻,所以非常容易被吸引,就以这样的方式“粘”在了勺子上。至于为什么像刺猬一样,是因为粉末被带电体的电场极化所致,有点类似于物理课本上展示的用铁屑模拟磁感线的感觉。

by Eric

Q3、为什么钢化玻璃砸击后看上去有裂纹,但实际上表面完好?

by 铯原子钟

答:

钢化玻璃就是利用普通玻璃经过热处理工艺制作出来的,这个过程被称为“回火”。回火产生强大的应力使玻璃的表面受压、内部受拉,于是玻璃的刚度和韧性大幅度增强。玻璃经过物理钢化后,玻璃由软化点附近,经介质骤冷,在玻璃表面形成压应力,玻璃内部形成张应力,提高了玻璃表面的抗拉伸性能,玻璃强度大幅提高,表面压应力与内部张应力平衡,当玻璃受到外力冲击时,冲击能大于内能,玻璃破碎,在内能的作用下,玻璃被破坏成无尖角的碎片。

图源 [1]

钢化玻璃的重要特性是当受到冲击时会自我防御,其原因在于钢化内层存在张应力(物体对使物体有拉伸趋势的外力的反作用力),当玻璃破裂时,在外层的压应力(抵抗物体有压缩趋势的应力)保护下,使得玻璃成为布满裂缝的集合体,但却不易散落,碎片呈蜂窝状的钝角小颗粒,对人体的伤害减轻到最低。

参考资料:

  • [1]【科普】钢化玻璃自爆特征及判断 - 知乎

  • [2] 钢化玻璃安全性能的理论分析与实验研究 - 中国知网

  • [3] 物理钢化玻璃裂纹的形态特征分析 - 中国知网

by 扫地僧

Q4、为什么氯化氢溶于水之后形成的溶液有“盐酸”这个名字?

by 匿名

答:

先掉一书袋。盐酸的中文名字最早可追溯到 1855 年英国传教士编写的《博物新编》,里面把盐酸称作“盐强水”,其中“强”通“镪”,镪水即强酸。直到 1932 年,民国政府颁行《化学命名原则》,确认 HCl 的水溶液名为“盐酸”。由此可见,盐酸中文名的演变源流全于近代,自然受西方影响较大。因此欲寻“盐”字出处,宜向英文中探赜索隐。

盐酸在英文中有别名 muriatic acid,意为“与食盐有关系的酸”。这大概是中文翻译出“盐”的源头。13 世纪(相当于南宋 / 元)的欧洲炼金术士 / 化学家制得了王水 —— 现在我们知道里面是盐酸和硝酸。在 15~17 世纪(在中国是明朝),欧洲一系列化学家分离出了纯的盐酸。他们用的方法包括将食盐与硫酸混合后加热、将食盐与亚硫酸钠混合后加热等等。可以发现,原料中都有食盐,这大概就是“盐酸”名字的来源。

by 井筠

Q5、为什么当房间窗户打开时,无论外面有没有风,用很小的力门都会很轻松的关上?

by chenchen

答:

因为当房间窗户关闭的时候,房间与外界只能通过门来进行气体交换。当门关闭的时候,房门会将图中虚线区域内的空气挤到外界,从而导致屋内空气总量减少,气压低于外界大气压。这样就在门的内外两侧形成了指向屋内的压强差,从而会阻碍门的关闭。

当房间窗户打开的时候,屋内气体可以通过窗户与外界进行交换,因此门排出的空气会被窗户流通进来的空气补充,屋内气体的气压是基本等于大气压的。这样我们在关门的时候,只需要克服门受到的空气阻力和轴承的摩擦力,可以轻松的开关门。

by 单身男青年

Q6、玉是什么物质?能写出它的 (或组成它的各部分物质的) 化学式吗?

by 铯原子钟

答:

玉是一个使用范围相当广的词,可以用来指一系列从白色到绿色的,有着坚硬且致密质地的石头。按照矿物学家或地质学家的观点,玉是两类不同矿物的总称,它们分别是翡翠 (或称为硬玉) 和和田玉 (或称为软玉)。

翡翠的主要成分是,可含有 Cr, Fe, Ca, Mg, Mn, V, Ti 等元素。也可能包含其他钠质、钠钙质辉石 (如绿辉石,钠铬辉石) 等矿物成分。

和田玉主要由透闪石和阳起石两种矿物组成,化学成分是

区别在于透闪石含镁更多

而阳起石含铁较多

如果严格将玉限定为翡翠和和田玉,则许多传统上被认为是用玉雕刻的古人的作品就不再是玉了。事实上,我国的《珠宝玉石 鉴定》国家标准将 40 种矿物 (包括孔雀石、独山玉、蛇纹石等) 都归入天然玉石一类。

参考资料:

  • [1] GB / T 16553-2017, 珠宝玉石 鉴定 [S].

  • [2]Rawson J. Chinese jade[M]. London: British Museum Press, 1995.

by 利有攸往

Q7、车牌号有多少种组合?

by 好问的小蓝

答:

不妨做一估算。

根据现行 92 式民用车牌规则,排除军警、应急、教练、拖挂、使馆等特殊车牌,普通民用燃油车牌号(蓝牌、黄牌)共 7 位,新能源车牌号共 8 位。前两位是代号,是省级单位代号加发证机关代码,简单计数可得共 418 种 [1]。后五位(或六位)叫做序号,为数字加大写字母,为易于辨别,没有 I、O 两个字母。蓝牌、黄牌的五位序号最多有 2 位字母,故共种。[2]

燃油车号牌规则 | 来源:GB36-2018 [2]

新能源车牌号规则较复杂,分为大型车与小型车两种。大型车的字母在序号第六位,小型车的则在第一位 —— 这些区别并不影响数目。纯电的字母目前可选 D、A、B、C、E,非纯电目前可选 F、G、H、J、K。大型其他五位序号都是数字,小型车的第二位序号可以是数字或字母 —— 同样排除 I 和 O,故新能源车牌目前可有种,因此燃油车和新能源车号牌目前总共可以有 2,951,080,000+919,600,000=3,870,680,000 种。

小型新能源车牌规则 | 来源:GB36-2018 [2]

此外,郑州除豫 A 车牌外,又增补豫 AA 车牌,会导致总数略有减少。未来随着汽车保有量增加和行政区划变动,部分城市会增补车牌,如武汉已增补鄂 W,济南合并莱芜鲁 S 等。车牌总数仍会变动。

参考资料:

by 井筠

Q8、为什么有时候耳机开降噪模式人声反而会被增强?

by 早已年迈的年轻人

答:

这个问题很有意思啊,那今天来和这位同学一起学习一下关于耳机降噪的知识吧。

首先呢,噪声是一个非常主观的术语,它可以指任何人们在某一时刻所不需要的令人不快的声音。而从物理学的角度来看,噪声和我们所“想要的”声音之间没有区别,都是通过介质(如空气等)产生的振动波。而衡量一个声波的两个主要指标就是振幅和频率。振幅描述波的强度,一般以分贝 (dB) 为单位衡量;音高描述波的频率,以赫兹 (Hz) 为单位衡量。

对于降噪来说,其实就是防止一些我们不想听到的声音进入耳朵。问题中提到的降噪模式其实指的是我们所熟知的主动降噪。说到主动降噪,当然就有被动降噪。相较而言,我们先来谈谈较为简单的被动降噪。

被动降噪 (passive noise cancellation,PNC) 其实是一个相对模糊的术语,我们直接简单准确地叫它隔音就可以,因为这种技术所利用的就是耳机的自然形状和材料来隔绝环境噪音。PNC 没有任何供电的麦克风或内置技术来主动寻找和消除环境频率。在你我身边,任何物理上能覆盖住耳朵的东西,都能够隔离噪音,是不是够“被动”。

主动降噪 (Active noise control,ANC) 就不一样了,这种耳机得名于它们内置的技术,它可以在环境声音到达耳朵之前主动地寻找并消除它们。这些耳机在每个耳罩内都有微型麦克风,用于监听来自耳罩外部的环境噪音频率,然后生成完全相反的声音频率,我们称作对抗频率(反相),当这两种声波碰面时就会产生一个单一的、更平坦的声波,我们的耳朵会认为这是一种更安静的声音(即认为原先噪声被有效消除)。主动,即意味着耳机内置了专用于供电这些降噪麦克风的电池。

主动降噪图示 | 图源 [1]

而就像题目中所说,当我们在没有音乐的情况下打开耳机的降噪功能时,可能会注意到附近人声仍在传来,有时似乎感觉这种声音被放大了,这是为什么呢?

其实很简单,当前大多数的主动降噪技术最适用于 500Hz 以下的频率,对超过约 1000Hz 的声音甚至几乎可以说是没有降噪效果,恰恰人类语音清晰度最重要的频带就是 500Hz、1000Hz、2000Hz 以及 4000 Hz。而在生活中常见的一些比如交通工具发动机等产生的大多是低于 500Hz 的噪声,因此可以通过 ANC 大大降低甚至完全消除。还有就是人类语音一般频率难以预测且变化发生的太频繁,所以现在的 ANC 系统真的是很难处理这些声音,这就导致我们会有一种人声被“放大”的错觉。

看看这波像不像你说的那样 | 图源 [3]

总结起来就是,PNC 可以更好地降低中高频噪声,而 ANC 则是擅长降低低频噪声。若想要同时达成隔绝人声这个目的的话可以试试耳机里播放白噪声。最后,当然不存在可以阻挡所有声音的耳塞或耳机啦……

参考资料:

[1]Noise-cancelling headphones

[2]FACTS ABOUT SPEECH INTELLIGIBILITY

[3]Why do I hear sound with noise-cancelling on?

by Gyoku

本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:Frions

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关键词:科普问答

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