騎山地自行車的時候，為什么是“搖”著車爬坡呢？| No. 520

為什么騎山地自行車爬坡的時候，

選手們需要“搖車”加速，

而不是保持身體與自行車面水平騎行？

問答導航
Q1 為什么上樓梯感覺走z字更省力？
Q2 為什么熒光棒一掰能亮很久？
Q3 為什么有的火越吹越旺？
Q4 為什么同一物質在不同溫度的水中溶解度不同？
Q5 為什么水會熱縮冷漲？
Q6 為什么冰雹總在夏季出現？
Q7 火燒云是怎么形成的？
Q8 為什么山地車騎手們爬坡要“搖車”？

Q1 上一個坡度很陡寬度又很長的樓梯，為什么斜著走z字形會感覺省力？

by 多多樂樂的爸爸

答：

碰上那種又陡又長、爬到一半想罵人的樓梯，直上簡直是給大腿上刑。這時候你大概也試過：身體不自覺斜過來，走成 Z 字形，忽左忽右地蹭上去，瞬間覺得腿沒那么炸了。

先潑盆冷水：斜走并不省功。樓梯是一級一級的臺階，每級高度固定，你直走也好、斜走也好，每踩一級都得把身體抬那么高，上到頂必須踩那么多級，總功只看爬升高度，跟走哪條路無關。那省的是什么？是功率，靠的是步頻放慢。

斜著走，路徑變長了，你自然不會像直上那樣急著邁步，節奏松下來。別小看這點，運動生理學有實測：同樣爬一段樓梯，步頻快的那組心率、耗氧量明顯更高。原因有好幾條擰在一起：肌肉收縮得快，能量燒得就多；步數一多，腿來回倒騰克服慣性的"內功"也大；快步頻還得更用力蹬地，會多招募不經濟的快肌纖維。步子一緩，這幾樣全跟著降，瞬時功率下來，人就覺得沒那么累。

還有個可能加成的因素：斜向邁步帶上了橫向位移，步態比純縱向臺階步更接近平地走路，關節發力或許更經濟。不過這條目前缺直接針對"樓梯斜走"的研究，算合理推測，沒敢當定論講。

by 檸七

Q.E.D.
Q2 為什么熒光棒一掰就亮，能持續發光幾小時？

by 匿名

答：

熒光棒發光的原理是化學發光。常見的熒光棒由易碎的玻璃內管和堅韌、有彈性的塑料外管組成，分別裝有不同的化學溶液（比如內管裝過氧化氫，外管裝草酸酯和熒光染料）。當你彎掰以下熒光棒時，外層的塑料管變形彎曲，而內層的玻璃管則直接碎裂，這使得原本被隔離的兩種液體混合并發生化學反應，從而觸發了整個發光過程。

熒光棒發光的化學機制

內外管的液體混合后，首先過氧化氫和草酸酯發生反應，生成不穩定且能量極高的中間產物，如圖中的 。當中間體與熒光染料分子碰撞時，能量傳遞到熒光染料（dye），使染料中的電子躍遷到激發態，同時 被切割成兩個 分子。最后，染料分子恢復到電子基態，釋放能量。這些能量中大部分以光子的形式釋放——也就是我們看到的熒光棒發光。

熒光棒的發光速度，則與化學反應速率有關。在室溫下，過氧化氫與草酸酯的反應是一個相對溫和、漸進的過程。反應物分子不會在瞬間全部消耗完，而是以一定的速率持續發生反應，激發態的熒光染料分子也會源源不斷地產生，從而保證光子能夠持續、較為均勻地向外輻射。我們還能通過控制溫度來調節反應速率和發光強度——在夏天的三亞，熒光棒會更亮，但發光時間變短；在冬天的哈爾濱，熒光棒會更黯淡，同時發光時間變長。

參考資料：

1. Kuntzleman, T. S., Rohrer, K., & Schultz, E. (2012). The Chemistry of Lightsticks: Demonstrations To Illustrate Chemical Processes. Journal of Chemical Education, 89(7), 910-916.

by 冰糕

Q.E.D.
Q3 為什么有的火焰會被吹滅 有的火焰越吹越旺？

by 安昊洋

答：

理解這個問題只需要了解燃燒發生的三要素：可燃物、助燃物（氧氣）以及足夠的溫度。三者缺一不可。

對于火柴、蠟燭這類體積較小的可燃物，燃燒時總的能量釋放是比較小的。此時當猛烈吹氣時，相當于送入了一股常溫的氣流。這股氣流會顯著的降低燃燒區域的溫度，使得燃燒區域溫度瞬間低于著火點，燃燒就會停止。對于蠟燭這種依靠氣化的石蠟蒸汽燃燒的情況，一股足夠強的氣流還可能使得局部的氣態可燃物被吹散，這也有助于火的熄滅。

然而對于火爐、篝火或者堆放可燃物的情況，可燃物總量較大，燃燒釋放的總能量很大。此時吹氣所能帶走的熱量相對于瞬時燃燒釋放的熱量而言很小，不足以使得溫度驟降至著火點以下。然而這類燃燒現象的共性是由于可燃物堆放導致很多可燃物并不會大范圍暴露在空氣中，導致與空氣中的氧氣接觸不充分。此時在吹入氣流時，會強行將大量氧氣吹入可燃物的縫隙，并帶走燃燒區域高濃度的二氧化碳，因此會起到助燃的效果。

by 云開葉落

Q.E.D.
Q4 為什么同一物質在不同溫度的水中溶解度不同？

by 匿名

答：

首先，有一個最簡潔、不繞彎子的答案：這是因為溫度會影響衡量溶解反應進行程度的吉布斯自由能變化量（ ）：

其中 是溶解焓， 是溶解熵，可見溫度 的變化會影響 的數值。當 時，溶解過程可以自發進行。如果溶解熵是正數（大多數固體溶質屬于這種情況），那么溫度越高， 越負，也就是溶解趨勢越強，溶解度更大。相反，氣體的溶解熵一般是負數，因此溫度越高溶解度越低。

那有沒有稍微“繞彎子”一點但更形象的解釋？對于大多數固體，溫度升高意味著水分子和溶質粒子的熱運動更強，更強的分子碰撞能夠更輕易地克服固體內部較強的晶格能以及水分子間的氫鍵，從而使原本在低溫下無法脫離晶格的粒子進入溶液。因此，溫度升高一般會促進固體溶解。

而一般來說，氣體的分子間距極大，在溶解時不需要克服自身的分子間力。但是，當溫度升高時，水溶液中的氣體分子動能顯著增加。高動能的氣體分子更容易擺脫水分子的吸引力，重新逸出液面回到氣相。因此，溫度升高一般會導致氣體溶解度下降。

by 冰糕

Q.E.D.
Q5 水的反常膨脹是什么原因導致的？

by 17

答：

水的氫鍵與原子熱運動之間的競爭會導致0-4攝氏度發生熱縮冷脹的反常膨脹現象，并且在4°C時水的密度最大。因為氫鍵使水規則排列，從而讓體積變大，而溫度升高在破壞氫鍵產生體積減小的效應的同時也有普通的熱脹冷縮效應使體積變大。這個溫度區間氫鍵的作用與熱膨脹之間的競爭會導致反常，低于4°C時，氫鍵的作用更顯著，從而升溫破壞氫鍵讓體積減小的效應占主導，高于4°C后，氫鍵的作用太小，只剩下熱效應主導體積膨脹。

圖1 氫鍵對水分子的膨脹作用

參考資料：

by 小被子

Q.E.D.
Q6 為什么冰雹總在夏季出現？

by Laura

答：

夏天天氣炎熱，冬天天氣寒冷，所以直覺上冰雹應該出現在冬天才對，然而事實卻恰恰相反。關鍵在于結冰所需要的“冷”（即零度以下的溫度）在高空其實一直存在。所以關鍵不在于地表附近溫度，而在于如何能讓水汽凝結成足夠大的冰球再落下。這就要依靠強的上升氣流，而這才是夏季獨有的。

在夏天，地表溫度遠高于高空，因此地表附近被加熱的空氣會迅速上升，形成強勁的氣流。這個過程中，部分水汽也被帶到高空的低溫環境中以過冷水的形式存在。一旦產生凝結核，它會在落下時被上升氣流再次托舉，而周圍的過冷水會在核上一層層凝結附著，這一過程中冰雹就會從極小的體積不斷長大，直到落下。反觀冬天，地表溫度很低，并沒有強勁的上升氣流，因此冰晶在初步結晶后就會自然落下形成雪，反而難以長大成冰雹。

by 云開葉落

Q.E.D.
Q7 火燒云是怎么形成的？

by 水林齊

答：

陽光由七色光混合而成。進入大氣后，光會與空氣分子發生散射，其中瑞利散射對波長較短的藍紫光作用強，對波長較長的紅橙光弱。正午陽光穿過的大氣較薄，藍光雖被散射但仍充足，因此天空呈藍色。

日出日落時太陽位于地平線附近，光線斜穿大氣層的路徑約為正午的幾十倍。在這段長路徑上，藍紫光被反復散射殆盡，能入射到觀察者眼前的以紅、橙光為主。

但光變紅還不足以形成火燒云，還需要云層參與。云中水滴的尺寸與可見光波長接近，發生的是米氏散射，其對各波長散射較均勻。被散射過濾成紅橙色的陽光照在云上，云把紅橙光反射給觀察者，看起來就像"燒"起來了一樣。

這也是為什么雨后火燒云格外猛：雨水把低空塵埃洗得干凈，大氣更透；頭頂又常留著沒散盡的云團當幕布，西邊天已放晴讓陽光直送過來。干凈的空氣加一塊好幕布，火就燒得旺。反過來，霧霾天霞光反倒會發啞。

by 檸七

Q.E.D.
Q8 山地自行車車比賽中，為什么爬坡的時候，選手們需要“搖車”加速，而不是保持身體與自行車面水平騎行？

by mota

答：

想理解這個問題，首先需要知道自行車運動中能量輸出的一些基本情況。自行車運動需要克服一定的阻力，比如輪子在地面滾動的阻力、迎面而來的風阻、鏈條傳動中的能量損耗等，這些損耗共同組成一個騎行者需要對抗的功率。而輸出是靠踩踏踏板實現的，由于踩踏一圈周長一定，踩踏的切向力乘以踩踏頻率就正比于輸出的功率。在平路騎行時，想騎的快主要對抗的是風阻。然而在爬坡時，每踩踏一圈還會對應著在豎直方向上的位移，因此需要克服重力做一定數量的功。這意味著當以相同頻率踩踏時，爬坡需要付出的功率是顯著增加的！

自行車比賽中選手搖車

前面提到了功率是正比于踩踏時切向發力與踩踏頻率的，既然在相同頻率下需要增大功率，那么唯一的方案就是要增大發力。這便是為什么在騎車上坡時會覺得吃力。當選手坐在車座上時，僅依靠臀大肌以及股四頭肌等的收縮發力進行踩踏，然而當選手站立“搖車”，就可以利用自身的重力輔助踩踏，這樣更容易對踏板施加更大的力。此外，“搖車”還有一個額外的好處，那就是當人站立踩踏時，大腿后側鏈的腘繩肌等會參與發力，減小了坐踩時主力肌群的壓力，這樣有助于短暫恢復部分肌群。

by 云開葉落

Q.E.D.
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本期答題團隊

冰糕、檸七、小被子、跑馬仔、云開葉落

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