为什么洗完的袜子晒干之后会变硬？ | No.490|大气层|氢原子|氢键|航天器|辐射|速度

当我们将洗好的袜子悬挂晒干后，

常常会发现其变的很硬，

而用烘干机烘干的袜子却不会这样，

这是为什么呢？

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Q1 为什么袜子洗完晒干后会变硬
Q2 千页豆腐为什么不管怎么翻面都会往上翘角？
Q3 航天器如何在太空中测量飞行速度？
Q4 人粗心的生理机制是什么？
Q5 为什么有红色激光却没有白色激光？
Q6 为什么氢原子没有能级双线？
Q7 盘核桃为什么不会把它盘腐烂？
Q8 太阳下山的过程为什么很快？为什么会使天空变色？
Q9 为什么树木过冬刷白漆？
Q10 鸟类顺风起飞还是逆风起飞容易？

Q1 为什么袜子洗完晒干之后会变硬？

by Tars

答：

袜子晒干后会变硬，主要源自棉纤维内部氢键的重新构建以及水中杂质的沉积两方面作用。

棉的主要成分是纤维素，分子链上布满羟基。洗涤时，水分子渗入纤维之间，打断原有氢键，让纤维松弛、柔软。但在自然风干过程中，随着水分蒸发，这些羟基重新靠近并大量形成新的氢键。由于晾晒时纤维保持静止，没有机械扰动，纤维素链会形成更致密、排列更稳定的氢键网络，使纤维之间的相对滑动变得困难，从而显著提高摩擦力，造成我们熟悉的“板硬感”。日本花王公司的研究用原子力显微镜观察到，自然晾干的棉纤维表面结合水极少，结构更紧密，正是这种现象的直观证据。

与此并行的，是硬水与洗涤残留带来的物理影响。自来水中的钙、镁离子会与肥皂或洗涤剂反应，生成不溶的皂垢或碳酸盐微粒，它们会残留在纤维表面与缝隙中。尽管这些沉积的量不大，却像一层粗糙的“薄壳”，显著提高纤维之间的摩擦，使硬化效果更加明显。因此硬水地区的衣物、毛巾、袜子尤其容易在晾干后变得发硬。

相比之下，烘干机能让衣物保持蓬松，是因为翻滚过程不断扰动纤维，使其在干燥时难以建立这种紧密的氢键网络，最终留下更松散的结构。总的来说，袜子变硬不是晒坏了，而是在失水后被重新“锁紧”，再加上一点矿物残留的锦上添“硬”。

参考资料：

Igarashi T, Morita N, Okamoto Y, et al. Elucidation of softening mechanism in rinse cycle fabric softeners. Part 1: Effect of hydrogen bonding[J]. Journal of surfactants and detergents, 2016, 19(1): 183-192.

by 柠七

Q.E.D.

Q2 千页豆腐为什么不管怎么翻面都会往上翘角，感觉挺有意思的

by 匿名

答：千叶豆腐向上“翘角”是蛋白质的热胀冷缩和内部多孔结构受热膨胀共同作用的结果。靠近热汤的部分温度较高，膨胀更大，而浮在上方的部分温度更低，膨胀更小，于是形成了一个圆弧状的豆腐片，而且是向上翘的。可以建立一个较为粗糙的模型研究这个现象。假设下半部分豆腐的温度约为100摄氏度，上半部分的豆腐温度约为60摄氏度（即室温和汤底温度的平均值），而如此的温差能使得同一块豆腐的两个部分产生巨大的形状差异，从图中可以观察到，40度的温差大约使得千叶豆腐膨胀了约10％，比一般的普通材料（钢铁，木材均低于1％每40摄氏度）的热胀冷缩现象明显得多。 by clouds Q.E.D.

Q3 航空器可以通过空速管测量飞行速度，航天器如何在太空中精确测量飞行速度？

by SHY

答：

在太空中讨论“速度”前要先明确：没有绝对速度，只有相对速度。生活里我们默认以地球作为参照物，所以觉得飞机“在空中移动”；而航天器通常以太阳或行星作为参照物来定义自己的飞行速度。航天器测速度主要靠三类方法：

1. 惯性测量（IMU）:加速度计测加速度、陀螺仪测旋转的角度，再通过积分得到速度。但误差会随时间累积，需要校正。

2. 地面多普勒效应测速:地面发射信号，航天器转发回来，由频率的偏移量推算相对速度。深空探测器主要靠这个，精度可达毫米/秒。事实上，测量天体的速度主要也是采用这个方法。例如可以测量仙女座星系与我们的相对速度，又或者是某个双星系统的转速。具体原理放在文末。

3. 位置推算速度:连续确定位置（靠星敏感器、GPS 或地面测控），位置变化除以时间就是速度。多普勒测速利用波在相对运动下会出现频率变化的原理：航天器向着地面运动时，信号频率升高；远离时频率降低，在远低于光速的情况下沿视线方向运动时频率偏移量与相对速度成正比。地面只需精确测量这一偏移，就能反算航天器的速度，精度可达毫米每秒级。

by 灵境

Q.E.D.
Q4 人粗心的生理机理是什么？

by 熊本熊

答：

先说结论：“粗心”在认知科学中被称为“滑脱”或注意力失效，这并非单纯的态度问题，而是大脑在注意网络切换、工作记忆限制与错误监测过程中出现的生理性偏差。

大脑的注意控制依赖两套彼此制衡的网络：负责专注与执行的任务正激活网络（TPN），以及与走神、回忆、自发思维相关的默认模式网络（DMN）。当任务过于熟悉或人体处于疲劳状态时，大脑为了省力会让DMN活跃度上升。如果这种毫秒级的网络切换恰好发生在阅读关键信息的瞬间，就会形成短暂的“注意空缺”，导致符号或数字被视而不见。

承担工作记忆的前额叶皮层（PFC）也限制了注意力的稳定性。PFC负责的工作记忆容量极其有限（通常仅能容纳3-5个组块）。在紧迫、嘈杂或多任务环境下，认知负荷过载，大脑为了维持主要逻辑流程的运转，会采取“有损压缩”策略，优先过滤掉小数点、负号等“次要细节”，导致信息未进入工作记忆就被丢弃。

另一环节是错误监测系统——前扣带回（ACC）的监测失效。ACC负责监控冲突与错误，正常情况下它能引发“警觉感”。但在疲劳或神经递质波动时，ACC的敏感度显著下降，导致大脑忽略错误信号，甚至依据经验进行“预测性脑补”，让你明明盯着错误看却无法察觉。

综上，粗心是大脑为了高效运行而产生的副作用，相比于自责，降低认知负荷与保证睡眠才是更科学的对策。

参考资料：

Reason, J. (1990). Human error. Cambridge university press.

by 柠七

Q.E.D.
Q5 为什么有红色激光，却没有白色激光？

by 匿名

答：

激光的经典、通俗的特点是“三好一高”：方向性好、单色性好、相干性好和亮度高。通过电磁波谱图可以注意，白光不是某一种单独波长的光。根据上面的传统定义，白光与单色性相冲突，因此不存在符合传统定义的白色激光。

那白色激光有办法产生吗？有的兄弟有的。目前有两种方法产生白色激光：1）超连续谱白色激光：利用高功率飞秒激光，借助非线性效应，产生覆盖紫外到红外的连续光谱[2]；2）RGB三基色合成的白色激光：将红绿蓝三基色的激光，耦合为一束激光[3]。

聪明的观众可能注意到，前者得到的光谱是很宽的连续谱，而后者得到的是三条（或多条）窄的谱线。这种光谱组成不同，但人眼的颜色感觉相同的现象，被称为同色异谱现象。人类看这两种光对应的光都是白色，是因为对三种视锥细胞的刺激得到的信号模式相同。

参考资料：

孙宁.SiO2基结构色薄膜的制备及改性研究[D].吉林大学,2020.DOI:10.27162/d.cnki.gjlin.2020.005490.
杨兰,刘峻铭,洪丽红,等.高强度、超平坦白激光的空间相干性测量[J].物理学报,2025,74(12):100-108.
江子琦.基于三原色激光光源合成及应用研究[D].海南大学,2021.DOI:10.27073/d.cnki.ghadu.2021.001045.

by ThymolBlue

Q.E.D.
Q6 在原子光谱中出现“双线”是由于能级分裂导致的，那为什么氢原子没有双线？能级分裂又到底是怎么产生的？

by xxyy

答：

先问是不是再问为什么。事实上就是氢原子也有双线，精细结构、超精细结构、QED效应等等都会产生双线，只是这些线真的挨得太近了。

能级分裂通常是因为发生了某种能级简并的微弱破坏，不一定要有成对电子。这一般是由于理论更加精细地加入了某些项，或者单纯引入了外磁场或外电场。这时两个能级不再简并，而有一个非常小的能量差，其他能级向这两个能级跃迁的时候就会放出两种波长非常接近的光，也就是双线。我们先来看最简单的氢原子情况，这时我们只考虑非相对论情况的库仑势，哈密顿量为

得到的结果是电子状态由四个量子数表示，其中只有**主量子数 **决定能量，相同的的不同状态全部都简并（只对此情况的氢原子，如果是其他元素，也会影响能量，这是由于屏蔽效应与钻穿效应），能量为

如果我们加入相对论修正，包括相对论动能修正、自旋轨道耦合项和达尔文项，哈密顿量就变成了

那么我们发现哈密顿量与对易，可以选取他们的共同本征态，电子状态用表示，能量为

看到能量不仅与相关，还与有关系，这就导致了刚才简并的能级分裂了，于是和有着不同的能量，这是氢原子的精细结构。进一步地，QED给出了兰姆位移的修正，这是和的能量差，会带来更精细的结构。如果考虑核自旋，还有超精细结构，这些都是氢原子的双线结构。

by fsrzbl

Q.E.D.
Q7 为什么一些被“盘”的核桃，表面会变得光滑并且没有腐烂？

by 路人甲

答：

盘核桃发生了一个复杂的物理变化和化学变化，首先是去糙，新核桃表面布满微观的凹凸与孔隙。通过双手每日持续的揉搓与摩擦，这些粗糙的“毛刺”被皮肤和汗液如细砂纸般逐渐打磨平滑，形成最初的温润触感。这是纯粹的物理抛光过程。

其次是上色，人手分泌的汗液与油脂在盘玩中渗入核桃木质纤维的孔隙。汗液水分蒸发后，其中的无机盐主要成分为氯化钠，提供金属离子催化剂，并且最后以微小颗粒的形式渗入核桃表面固化包浆层，而油脂与核桃表面发生氧化反应，日积月累不断填充与浸润，使核桃颜色由浅入深，呈现出温暖的棕红色泽，质地也变得润泽。

最后是核心的化学转化阶段“玉化”。渗入的有机物质与氧气发生缓慢氧化，并逐渐聚合、固化，在核桃表面凝结成一层坚硬、光亮、半透明的包浆。这层有机和无机复合物壳彻底覆盖木质，赋予其琥珀般的玉质光泽与滑腻手感，同时致密的结构也隔绝空气与水分，有效防止了腐烂霉变。

by clouds

Q.E.D.
Q8 请问太阳下山到底是怎么一个过程？为什么它是肉眼可见的快那种，颜色还会随之改变？比如中午的太阳和傍晚的太阳就不同色。

by Dr.Zmarked

答：

一个个问题来：

太阳下山是一个什么样的过程。太阳下山确实是由公转和自转共同引起的，但是公转的影响远低于自转影响，生活场景里可以不考虑。自转的影响可以用下面这个方法想象：现在读者如果原地转身，虽然是自己在转，但是看起来就像周围绕着你在转一样。同样虽然是地球自转，但是跟着地球一起转的人类看天空就像是日月星辰绕着地球转（所以古文明一般都先有地心说）。由于我们看不到地面之下，在太阳转到地平线以下我们就看不到太阳了。
太阳下山快是因为太阳离我们很远。虽然太阳很大，但是距离导致我们看到的太阳的直径在天空里只占据大概一度。地球一天24小时转360度（等效来看就说太阳一天绕着我们转360度），几分钟之内太阳就会下山。
太阳颜色会变是大气层对不同颜色透射率不同的原因。大气层擅长吸收、散射短波光（比如蓝紫光，紫外线），长波光（红黄色光）透过大气层耗散更少。在中午，太阳在头顶，在大气层里经过的距离少，不同光透射率差异不明显；清晨傍晚几乎贴着地平线，经过距离多（见示意图），透射差异明显。因此清晨傍晚看到的太阳会以红色为主。

by 灵境

Q.E.D.
Q9 为什么树木过冬刷白漆？（明明黑漆才是吸热能力最强的，白漆是反射阳光能力最强的）

答：

这是一个非常好的问题，根本原因在于树木越冬需要的是稳定的而非更高的温度。

树木在冬季涂白的根本目的，是让树干保持低而稳定的温度，避免白天升温过高、夜晚骤冷导致的日灼和冻裂。从物理学角度来看，颜色决定表面对光的吸收和辐射特性：黑色确实同时是良好的吸热体与良好的辐射体，也就是说，它白天吸收太阳辐射非常快，但夜间也向外辐射散热得非常快。这种“吸得快、放得也快”的特性，会在冬季带来极不利的结果——白天让树干温度升得更高，夜间又让树干失热更剧烈，造成更大的昼夜温差，从而显著提高冻裂风险。

而白色涂层对太阳光有极高的反射率，使树干在白天很难被晒热，从源头上压制了温度升高，所以白色涂层相较于黑色涂层树干温度变化更加平稳。冬季树木真正需要的不是更高的温度，而是更小的温度波动。白漆在白天减少吸收，正好让树干的温度曲线保持平缓而稳定。

因此，虽然黑色的确是同时良好的吸收体和辐射体，但正因为它“吸热与散热都过强”，反而会放大冬季温度的剧烈变化，不利于树木越冬；而白色通过抑制白天升温和减弱夜晚剧烈散热，使树干温度始终处于一个低而稳定的冬眠区间，这才是冬季防止日灼冻裂的最佳选择。

参考资料：

.M. Litzow, “Materials for Potential Use in Sunscald Prevention” (ISA Arboriculture, 1983)
Karels, T.J. & Boonstra, R. (2003). Reducing Solar Heat Gain during Winter: The Role of White Bark in Northern Deciduous Trees. Arctic.

by 星空

Q.E.D.
Q10 鸟类起飞是顺风更容易还是逆风更容易?

by 水林

答：

从空气动力学和鸟类生理结构来看，绝大多数鸟类在逆风条件下起飞更为容易。起飞的核心是获得足够的升力，而升力的大小主要取决于翅膀与空气的相对速度。在有逆风的情况下，风的速度与鸟类拍翅时产生的空气流速叠加，导致翅膀上方的气流加速，升力增大。

此外，当翅膀以一定角度（攻角）接触气流时，翅膀会将大量空气向下偏转。根据牛顿第三定律（作用力与反作用力），翅膀给空气施加向下的力，空气就必然会给翅膀一个相等、方向相反的向上的力，这就是升力的来源。翅膀下方的空气流速越快，单位时间内被翅膀偏转的空气质量就越大，向下推送的气流动量变化也越剧烈，从而产生更强的升力。

在逆风时，即使鸟类在地面静止，迎面气流已经提供了初始的空气流速。鸟类展翅蹬地时，逆风能更快地达到起飞所需的升力阈值，类似于放风筝时需要迎风奔跑。逆风能够显著缩短鸟类的滑跑距离，特别是对于大型水禽（如天鹅）或携带猎物的大型鸟类，逆风使它们在几米内就能腾空，而顺风时可能需要较长的助跑距离，甚至依赖悬崖帮助起飞。野外观察还发现，许多鸟类在顶风时会调整站立方向，以便随时迎风起飞，快速应对潜在的危险。

总而言之，逆风可以说是鸟类起飞效率与安全的“自然助推器”。

参考资料：

1.吴康灵, 叶正寅, 叶坤, 等. 鸟类羽毛在气流中变形的力学特性研究[J]. 力学学报, 2023, 55(4): 874-884. DOI:10.6052/0459-1879-22-520.
2.Syposz, Martyna, Padget, Oliver, Wynn, Joe, et al. An assay to investigate factors influencing initial orientation in nocturnally fledging seabirds[J]. Journal of Avian Biology, 2021, 52(1): n/a-n/a. DOI:10.1111/jav.02613.

by 星空

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