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打响指的原理是什么？为什么看似简单却总打不响？| No. 434

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-11-08 12:33

正文

打响指看起来只是一个简单的动作

却让许多人屡试屡败

究竟是什么让这小小的响声如此难以掌控

今天就带你一探究竟

揭开打响指背后的物理原理和技巧

问答导航
Q1 为什么关灯睡觉会睡得更好呢？而且感觉入睡还变快了？
Q2 为什么有时候跑步会和喝酒一样有上头的感觉?
Q3 打响指是什么原理？到底怎样才能打响啊🥺
Q4 为什么加了棉花的冰砸不碎?
Q5 为什么玻璃是透明的而差不多成分的陶瓷不是？
Q6 汽车遇到小型的减速带，是高速开过去感到颠簸还是低速开过去比较颠簸?
Q7 什么是质量，质量的定义是什么？
Q8 为什么一下雨手机信号就变差？难道是我的错觉吗？
Q9 地球核心的温度和太阳表面差不多，请问这些热量从哪里来的，也是核聚变产生的吗？
Q10 为什么每次都是最后一个问题选择的人多呢？

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Q1

为什么关灯睡觉会睡得更好呢？而且感觉入睡还变快了？

by zoey

答：
提到睡觉很容易就联系到褪黑素，褪黑素是人体内一种可以调节睡眠的激素，是一种生命必需的小分子吲哚胺类物质，高等动物体内的褪黑素由松果体制造，随后进入血液到达其作用的受体，在睡眠调节中扮演重要角色。
褪黑素也被称为“暗信号”，这是因为褪黑素的分泌主要在黑暗状态下进行，晚上分泌增加，白天分泌受限制。一旦环境变暗、变黑，褪黑素开始分泌并作用于丘脑室旁核(PVT)神经元，让大脑更容易进入休息状态。
当开灯的时候，即使闭上眼睛仍然能够透过眼皮感受到红色的光，同时光打在物体上产生的阴影也容易影响到人的睡眠，产生干扰，需要适应一段时间才能够入睡。
参考资料：
雍黎.褪黑素有助解决睡眠和记忆障碍问题[N].科技日报,2024-08-27(008).
陈曦.褪黑素并非拯救睡眠的“万能药”[J].中文自修,2024,(Z1):75-77.
by 蓝多多
Q.E.D.

Q2

为什么有时候跑步会和喝酒一样有上头的感觉?

by 匿名

答：
跑步和喝酒产生类似的“上头”感觉，主要是因为两者都能引发大脑内某些神经递质的释放。跑步时，内啡肽的分泌增加，这是一种由脑垂体产生的天然镇痛剂，能够缓解疼痛、提高愉悦感，从而让人感到身体不那么疲惫。然而，真正让人上瘾的原因是内源性大麻素。它是人体内自然产生的物质，尽管与大麻植物无关，却会产生与吸食大麻相似的效果。与内啡肽主要作用于大脑皮层不同，内源性大麻素能够穿过血脑屏障，直接影响控制食欲、情绪和疼痛的脑区，因此被称为“内源性大麻素”。此外，跑步还会促进多巴胺和肾上腺素的分泌，带来成就感和兴奋感，这种愉悦感与喝酒后的放松感相似。随着心率的提高和全身血液循环与氧气供给的增加，跑步有助于改善大脑和身体的活力水平，进一步增强“清醒”或“上头”的感觉。
参考资料：
林泉.跑步为何会让人上瘾[J].百科知识,2018,(18):27.
为什么跑步能让人快乐？大脑奖赏机制深度解析
by Sid
Q.E.D.

Q3

打响指是什么原理？到底怎样才能打响啊🥺

by 匿名

答：
想象一下，面对灭霸和他的军队，你手中的“无限手套”紧紧握着，五颗强大的宝石散发着耀眼的光芒，仅仅一个响指，宇宙的秩序瞬间被打破，你拯救了全人类和宇宙。显然“无限手套”和打响指缺一不可，也就是说，掌握了打响指就掌握了拥有这强大力量的二分之一，到底怎样能打响一个响指呢？我们从原理出发：
打响指看似是中指的功劳，但其实是小指和无名指创造了一个喇叭状的空腔，中指与拇指根相撞后快速压缩空气，使空气在这个空腔中激荡，于是发出又脆又响的响指声。这在声学上叫做空腔谐振原理。鼓掌发声的原理也是如此，鼓掌绝不仅仅是两个手掌互相拍击的声音，而是依靠两个掌心形成空腔震荡来发出声音。
拇指和中指之间的接触会产生摩擦力，当你准备响指动作时，摩擦力阻止了两根手指的滑动，使得你的动作能够“蓄力”。在手指分开的瞬间，摩擦力迅速消失，积蓄的弹性势能爆发。
打响指的方法：大拇指与中指指头对齐，用力压在一起，食指自然向前伸直，无名指和小指呈握拳状，压在大拇指与掌根交界处上（最重要的一点），然后搓动大拇指和中指两个手指，使中指打向无名指与大拇指肚的结合部。拇指向外用力，中指向内用力，就完成了一个响指动作。打响指时整个手臂配合手进行正确的流线动作可以帮助手更好的发力，打出更响脆的响指。打响指的关键是：角度+力度。通过长期多练习，大家一定能练成随意自然的响指。
不过，频繁打响指确实可能对手指关节和韧带有些影响，而且在公共场合打响指也可能显得不太礼貌。所以，适当尝试可以，但别太过火，手指健康也要顾及一下！！
参考资料：
The ultrafast snap of a finger is mediated by skin frictionJ. R. Soc. Interface.1820210672
响指探索
by Chocobo
Q.E.D.

Q4

为什么加了棉花的冰砸不碎?

by 程若水

答：
这是因为棉花纤维的加入使得冰的结构发生了显著变化。在冰中，棉花纤维形成了一种网状结构，这种结构使得冰块内部的连接变得更加牢固。当外力作用于这种含有棉花纤维的冰时，裂缝很难穿透这些交织在一起的纤维网，因此掺了棉花后的冰块变得没有之前容易砸碎。相反，没有添加棉花的冰块在受到相同力度的敲击时，由于缺乏这种网状结构的支撑，更容易产生裂缝并碎裂。简单来说就是，棉花纤维的加入提高了冰的韧性和抗冲击能力，使其变得更加难以破碎。
参考资料：
王计真,刘小川.棉花纤维增强冰弹对复合材料层合板冰撞动响应的影响[J].复合材料学报,2018,35(12):32983303.
by 4925
Q.E.D.

Q5

为什么玻璃是透明的而差不多成分的陶瓷不是？

by 一颗玻璃心

答：
光（或任何其他形式的电磁辐射）在固体中的传播过程不仅涉及入射光通过的过程，还涉及固体的电子结构对光的辐射过程。组成成分并非材料是否透明的决定因素，而微观结构却是其重要因素。
它们的微观结构不同。玻璃是无定形的非晶态物质结构，其原子或分子排列长程无序，没有固定的晶体结构，不存在内部晶界，这种结构特点减少了来自内部晶界的光散射/折射，进而呈现出透明的光学特性。而由于陶瓷的多晶结构，存在晶界和颗粒间空隙，它们会使光线发生散射，会降低光的通过率，导致部分陶瓷（例如题主提到的，以二氧化硅为主要成分的一些陶瓷）呈现出不透明或半透明的状态。
玻璃的微观形貌图（图源网络）
不含玻璃相的陶瓷微观形貌图（图源网络）
它们的原子键合方式不同。透明玻璃中的化学键主要为离子键和共价键，其电子被紧紧束缚在相邻原子核周围，没有大量自由电子来吸收光线。当光线照射到玻璃上时，电子跃迁吸收光的过程相对较弱，可见光能够在玻璃中传播而不被大量吸收，因此玻璃看起来是透明的。而不透明陶瓷的电子结构同样以离子键和共价键为主，但其内部可能存在杂质或缺陷，致使电子能级结构发生变化，从而增强了电子对光的吸收。
它们的制备工艺不同。玻璃制备过程中，通过高温熔融、快速冷却等工艺（例如浮法玻璃的生产工艺），形成相对均匀的结构，减少内部不均匀性对光线传播的影响，从而呈现出良好的光学特性。但在陶瓷制备工艺中往往涉及到烧结过程，在这一过程中可能会形成不同大小和取向的晶体，导致材料内部结构不均匀，进而增加光的散射/折射，从而降低其透明度。
不过，以上都是关于题主所提到的透明玻璃与不透明陶瓷之间光学性能差异的可能因素，现如今也已产出透明陶瓷，比如市面上在售卖的Corningware等。
参考资料：
Shackelford, James F., and Penelope L. Shackelford. Let It Be Perfectly Clear – Why Glass Is Transparent. In The Glass of Wine: The Science, Technology, and Art of Glassware for Transporting and Enjoying Wine, 2017:106-118.
What determines whether a substance is transparent? For instance, why is silicon transparent when it is glass but not when it is sand or a computer chip? | Scientific American
Difference Between Glass and Ceramics
by 4925
Q.E.D.

Q6

汽车遇到小型的减速带，是高速开过去感到颠簸还是低速开过去比较颠簸?

by elect

答：
通常来说，汽车在低速行驶时会比高速行驶时更平稳，颠簸感也更小。这是因为汽车的减震系统依赖于悬挂系统，其中包含了弹性元件（如螺旋弹簧或空气弹簧）和减震器。弹簧的主要作用是吸收来自路面的冲击，将其转化为振动，而减震器则通过液压或气压的阻尼作用来消散这些振动的能量，从而防止车辆在遇到颠簸后继续产生不必要的晃动。二者共同合作：弹簧负责吸收震动，而减震器则抑制这些震动，保持车身的平稳。
当汽车遇到减速带时，车轮和悬挂系统会迅速上下移动。此时，弹簧会被压缩或拉伸，减震器也会相应地被压缩或拉伸。在减震器被压缩的过程中，活塞向下运动，迫使油液通过内部的小孔和阀门流动；当减震器被拉伸时，油液则反向流动。这些小孔和阀门的设计使得油液流动变得缓慢，产生了阻力，类似于倒出厚重液体时的滞碍感。这个阻力吸收了振动的能量，并将其转化为热量，最终散发到空气中。通过这种方式，震动的能量被“耗掉”，车身的起伏也随之减小。
减震器示意图，图源网络
在低速行驶时，减震器有足够的时间来缓慢吸收弹簧产生的振动，从而有效控制车轮的上下运动，使冲击力得以更好地分散，减轻颠簸感。而在高速行驶时，减震器的工作频率提高，油液流动速度加快，阻尼效果会减弱，无法完全抑制弹簧和车身的快速运动，导致车身震动更强烈，颠簸感更加明显。因此，当通过减速带等颠簸路段时，低速行驶能够显著提升乘坐的舒适性，减少乘客的不适感。
参考资料：
汽车减震器是如何工作的？和弹簧有什么区别？
by Sid
Q.E.D.

Q7

什么是质量，质量的定义是什么？

by 热爱物理的高中生

答：
质量有惯性质量和引力质量，我们先介绍惯性质量。
物理是一种描述自然规律的语言，人们定义物理量是为了描述物质的某种性质，我们观察到自然界的物体有大有小，便用体积来描述这种差异；我们发现丢一块大小差不多木头和石头用的力气不一样，我们便说这块木头轻，石头重，用质量来描述二者的差异。当我们学习了牛顿第二定律之后，就可以用物理的语言来描述什么是轻，什么是重——“轻”就是物体的运动状态容易被改变，我们挥起胳膊，很容易把一块木头加速到一定速度丢出去，对于石头则不然。至此，惯性质量的定义就呼之欲出了，即惯性质量是度量物体惯性大小的物理量，也可以说惯性质量是度量改变物体运动状态难易程度的物理量。
同时通过万有引力我们还可以定义两种质量——主动引力质量，和被动引力质量。主动引力质量来衡量物体产生引力场的强度，被动引力质量则衡量物体在已知引力场中感受到引力的大小，综合起来即
由于牛顿第三定律的存在，我们可以认为这主动引力质量和被动引力质量是一回事。同时目前所有的实验都说明引力质量等于惯性质量，但是目前没有理论能够证明。

最后，在以往的问答中也有相关的问题可以参考。比如：
啥，真有子弹能拐弯？| No.309
毛衣洗后会缩水，为什么羊身上的羊毛在淋过雨后不会收缩呢？| No. 394
by 前进四
Q.E.D.

Q8

为什么一下雨手机信号就变差？难道是我的错觉吗？

by 匿名

答：
并不是你的错觉~。我们知道手机信号是以特高频电磁波的形式在空气中传播的，而下雨天确实会对电磁波的传播产生一定的影响，导致信号变差，具体原因如下：
1）雨衰[1]：水滴对电磁波有吸收与散射作用，因此电磁波在空间传播通过雨、雾、雪等区域时会引起损耗。在雨中传播的电磁波由于雨滴吸收和散射而产生衰减的现象，简称雨衰。雨衰的强弱与降雨强度、雨滴尺寸、温度以及电磁波波长（10GHz以上的信号雨衰特别严重）等诸多因素有关。雨衰量可用下式表示
其中，为雨衰量，即电波通过雨区后，雨引起的电波衰减量，(km)为电波穿过雨区的长度，(dB/km)是雨衰减率，可用下式表示
其中，(mm/h)是降雨率，、系数、与各地区雨滴大小、雨滴温度及电磁波波长等有关。

2）电磁干扰：雷雨天气还可能伴随电磁干扰，闪电放电产生的电磁波会影响附近基站和手机之间的信号传输，导致信号不稳定或丢失。
3）其他因素：除了上述因素之外，还有一些其他因素，比如雨水还会在建筑物和地面上形成水膜，电磁波遇到水膜可能发生反射或折射，使得信号路径偏移，进一步增加信号的损耗和衰减。
参考资料：
周兆清.Ka卫星通信系统中雨衰分析[J].无线电通信技术,2006,32(5):53-55
下雨天会影响手机信号的原因
by 凉渐
Q.E.D.

Q9

地球核心的温度和太阳表面差不多，请问这些热量从哪里来的，也是核聚变产生的吗？

by 范文波

答：
地球核心的温度和太阳表面差不多，请问这些热量从哪里来的，也是核聚变产生的吗？地球核心的能量并不是核聚变产生的，其完整的来源至今仍是科学界争论的话题，下面总结目前研究所得出的可能的几种能量来源：
地核的初始能量来源于地球形成过程残留的热量。大约在45亿年前太阳开始形成，强烈的太阳引力与太阳风使周围星云开始围绕太阳旋转，星云中的物质会互相碰撞结合形成微行星，继续碰撞进而形成地球等更大的行星。在这种碰撞的过程中，动能被转换为热能，所以原始行星会残留了大量原始热量，像原始地球的表面呈现为熔融的状态。此外地球形成过程中，密度较高的物质（如铁和镍）向核心移动，轻质物质（如硅酸盐）上浮至地壳，这一过程也释放了大量的重力势能并转化为热能，积累在原始地球中。原始地球形成后逐渐冷却释放部分能量，最终形成我们现在所在的地球，此时地球内的能量主要以辐射的方式向宇宙中传播，所以数十亿年过去了，仍有部分原始热量仍然在地球内部保持着，导致了地核温度非常高。这种说法也是被世人接受程度最高的。
除了碰撞产生原始热量外，地壳和地幔中还含有巨量放射性元素（如铀、钍），这些元素通过放射性衰变释放出热量，这是地球内部热量的重要来源之一。这种过程持续了数十亿年，并在不断为地球提供热量。但据研究表明，地球内的放射性元素的含量是随深度呈现e指数性衰减的，地球深部不可能有足够的放射性物质为地球提供能量，所以这放射性元素衰变并不被认为是主要能量来源。
还有其他的一些说法，比如太阳高能中微子直接为地球内部提供能量，并促进地球内部演化，即太阳的高能中微子进入地球后，与地球物质发生散射、碰撞等作用而消耗能量 , 慢慢地就变成频率或能量与原子核中的中微子相近的热中微子，最后与地球物质发生剧烈作用或被吸收，释放能量。现有理论证明中微子对地球提供的能量很少，甚至可以忽略，但中微子是一种神奇的粒子，随着对其的研究不断进展，将来可能会打破现有理论的观点。除了中微子之外，还有像天体潮汐加热、太阳系引力变化等说法。
参考资料：
Hubbert, M. K. (1971). The energy resources of the earth. Scientific American, 225(3), 60-73.
池顺良 (2003). 放射性元素集中于上地壳的原因及其地球动力学意义. 地球科学, 28(1), 4.
by 凉渐
Q.E.D.