风扇为什么逆时针旋转？ No.65

眼下，

全国各地都进入了烧烤模式

没空调的地方就全指望电扇续命了

上期，我们科普了为什么电扇背后没有风

其实，

电扇里的物理有很多

除了本期的问题，

你还能想到哪些？

1

Q

把手放在热水里，为什么动动手会觉得更热？

By wly

A

热水温度比体温高，当手放在其中时，皮肤表面附近的水成一个相对稳定的过渡层。由于水本身的导热性并不好，在不搅动的情况下，热量缓慢地传导到皮肤上，进而被体内流动的血液及时带走，并不感觉很热。而当手在水中搅动时，表面过渡层被破坏，周围的热水源源不断地流过皮肤表面，持续带来热量，血液来不及把这些热量都带走，于是表皮温度升高，就会感觉到更热了。另外，如果掐住手腕暂时减缓血液流动，手也会感觉更烫哦。关于以上现象，具体可参考牛顿冷却定律。类似地，冬天在室外迎风行走，当气温一定时，风越大，人越冷，也是类似的道理，称为风寒效应。综上所述，对液体和气体而言，流动速度是影响导热效率的关键因素。设想我们在空间站的失重环境下加热一壶水，其加热速度一定不如在地球上快，因为在重力场中从底部对水加热时，水会有明显的对流，促进热量迅速传递。

2

Q

风扇为什么逆时针旋转？

By wolf

A

这是个很有趣的现象，应该与螺纹方向有关。工业上为了降低成本，各种零件基本尽量遵循标准化的原则。常见的螺纹都是统一为右螺旋的。因为规模效应，右螺旋的成本比左螺旋的更便宜。如果电机向外伸出的转轴末端为普通右旋螺纹，并与风扇配套连接，那么容易发现，当风扇逆时针旋转时，风扇与转轴之间的作用力趋于将两者拧得更紧；而当风扇顺时针旋转时，螺纹连接处会越来越松。虽然现在的风扇连接方式越来越多，实际中不尽如此，但这一主流习惯还是保留了下来，甚至可能成为行业规范。

工业中的很多机械都会考虑到螺纹松紧的这种效应，尤其是旋转和振动比较频繁的结构。有趣的是，自行车左右两个脚踏板对应的曲柄与齿轮的连接处，分别是左螺纹和右螺纹，以保证两边踩踏时都不会松动。不过我也确实碰到过一辆劣质自行车，可能是为了节约成本，或者是设计缺陷，两侧都用了右螺纹，骑了才几天脚蹬就掉了。其实刚开始的时候，左螺纹和右螺纹的成本和方便性可能都差不多，但是这样相应的机床、螺丝、螺母等就不能任意配对了。一旦某一个环节打破了平衡的局面，比如市场上出现了一大批右螺纹的机床或者螺母，那么相应的螺钉就需要时右螺纹的了，左螺纹的更卖不出去，长此以往，市场自动调整为单一种类的螺纹以降低成本。

生物界也有类似的例子。比如蜗牛的螺壳，原本左右都有，然而由于其生殖器官位置的关系，只有相同旋转方向的蜗牛才能方便地交配。长此以往，这种性状对应的基因更有繁殖优势，整个种群就逐渐趋于统一的螺旋方向了。这是不是也算一种对称破缺？

3

Q

为什么弓箭上装了平衡杆后拉弦更轻松？

By snfinder

A

首先，完成一次高质量的射击要保证整个拉弓射箭过程中尽可能少的出现抖动。平衡杆的作用就是为了减少这种抖动：一方面，平衡杆增加了弓体的重量，大的惯性意味着对外力抵抗能力更强。另一方面，平衡杆改变了弓的重量分配，其结果是系统的转动惯量增加，所以对左右摇摆的抵抗能力更强。总而言之，平衡杆可以帮你更加稳定的射击。然而，这并不能解释为什么平衡杆使拉弦变轻松。事实上，如果用机器测试会发现，装平衡杆前后拉弓需要的力量完全相同。

为什么你会感觉平衡杆使拉弓更轻松？原因是这里的轻松并不是需要更小的力，而是你能提供的最大拉力变大了，相应的，输出和之前相同的力对于现在的你就不那么困难了。之所以可以提供更大的拉力，是因为拉弓射箭并不只是提供拉力就行，还需要一部分肌肉来维持整个手臂的稳定，这部分肌肉会限制你产生拉力的肌肉发力并分散你的注意力，平衡杆的稳定性刚好解放了这些肌肉，使你可以更专注于拉弓而不用关心稳定，所以你可以提供的拉力就增加了，拉弓也觉得轻松了。

4

Q

地球为什么没有因太阳一直照射而越来越热？

By  panpan

A

地球确实是在越来越热，不过主要是由于温室效应，而不单单是因为太阳一直照射。地球的能量来自于太阳光的照射，而从地球诞生到现在，阳光就一直照射着，地球上的能量岂不是越来越多，温度越来越高？其实不然。地球这个热力学系统，在源源不断地吸收太阳辐射的能量的同时，也在向外面散发着能量。如果考虑地球上的生物，照射到地球上的一部分阳光被地表吸收升高地表温度，一部分又被植物光合作用，储存成生物能。而动物的活动又将这部分生物能消耗掉，变成热量散布到周围的环境中。这些因素都将导致地球环境中能量的升高。

我们知道，有温度的物体都会向外界散热，其散热方式包括热传导、热对流和热辐射，地球也不例外。不过面对太空这个环境，地球只剩下了辐射这一个方式。这样，地球一方面从太阳光得到能量，一方面又通过辐射红外线向太空散发能量，当这吸收热量与辐射热量达到平衡时，那么地球的温度就不变了。当然，也得达到这个热平衡温度才能不变，所谓的温室效应主要就是大气层中二氧化碳等气体浓度越来越大，本来要辐射到外太空中的红外线被大气吸收了，向外散发的热量减少，而本身吸收的能量又不变，导致在现阶段地球整体的温度在上升，这就是所谓的温室效应。

5

Q

为什么反射、折射可获得偏振光？它是如何使光的振动面只限于某一固定方向的？

By 第三悬臂的麦克斯韦妖

A

当我们考虑光的反射和折射时，我们一般利用经典电磁理论就足够了。在经典的电磁理论中什么才是最基本的呢？没错，就是麦克斯韦方程组。所以，当一束光照到介质表面时，会形成一个边界条件，结合麦克斯韦方程组，我们可以通过解这个边界条件从而得到反射光和折射光二者的电失量与入射光的电失量的关系，而这个关系就是大名鼎鼎的菲涅尔公式。通过分析菲涅尔公式，我们可以知道，当入射角为布鲁斯特角时（即，此时反射光与折射光垂直），反射光为完全偏振光，偏振方向为垂直与入射面。但是一般情况下，若入射光不是完全偏振光的话，折射光是无法产生完全偏振光的。关于菲涅尔公式的更多具体知识，读者可自行查阅电动力学相关的书籍，篇幅有限这里不多阐述。

6

Q

为什么洛伦兹力不做功而安培力做功？难道安培力不是洛伦兹力的宏观表现吗？

By 第三悬臂的麦克斯韦妖

A

主要原因应该在于洛伦兹力和安培力的作用对象不同。洛伦兹力的作用对象是运动电荷，而安培力的作用对象是载流导体。无论电荷怎样运动，洛伦兹力都与其运动方向垂直。而对于安培力，虽然其方向始终垂直于电流，但是载流导体可以沿任意方向运动。

实际上，导体中电荷的运动速度是漂移速度和导体运动速度的合成，相应的洛伦兹力也并不一定垂直于电流，而安培力等于洛伦兹力垂直于电流方向的分力。值得注意的是，两者也只是数值相等。从来源上看，安培力是载流子偏离平衡位置时，对导体中离子的静电吸引作用，磁场引起的力并未直接作用于导体。

通过简单的计算还可以知道，安培力的功率和电路的电功率相等（不考虑电阻），安培力做功的能量全部来自于电源，磁场只是起到能量转换的媒介作用。