这个冬天咋这么冷为啥不能让我们好好跨个年

2019-03-27 06:33

  看着最近一波的天气图,小编的心情是这样的 😭😭😭,真实地体验了一把如入冰窖的感觉。

  小太阳暖宝宝空调暖气一起上,也抵不住一波又一波的冷空气啊!这个冬天这么冷,我们究竟应该怎么过!为啥不能让我们好好跨个年!假如一直这么冷下去,地球突然出现全球性的暴风雪,我们又该如何面对?

  全球进入寒冬,人类的文明该如何延续下去?图片为 Frostpunk 截图

  人类的本质是什么?鸽子还是复读机?根据科学家们的观察,假如每天都来寒潮让人类在冰天雪地中生活,人类为了活下去大概会长成一个「球形鸡」……

  根据同一种类恒温动物体型的变化情况,伯格曼[1]总结出了伯格曼法则(Bergmanns rule)——这些动物的体形会随着生活地区纬度或海拔的增高而变大,比如生活于北极地区的北极熊就比其他地区的熊类体形更庞大。这背后的机理大概可以这么理解,单位体积的产热功率是一定的,如果动物的相对体表面积(即体表面积与动物体积之比)变小,那么就能更好地保存热量,适应生活中的寒冷环境。这恰好和身体内的细胞们相反,细胞们因为要最大化和外界的交换效率,所以通常都特别小,保证表面积足够的大。

  艾伦法则(Allens Rule)是约耳·阿萨夫·艾伦[2]在 1877 年提出的另一个关于温度对动物体型影响的动物学规则。他认为在恒温动物中同种的个体或近缘的异种之间,生活在寒冷地区的物种比生活在温暖地区的物种具有四肢更短,体型更圆的倾向。

  在产热功率一定的情况下,表面积越小,对应的散热功率越小,身体也就更容易保暖。假如一个物体具有 8 个单位体积大小,当它排列成 1x2x4 的形状时,表面积为 28;当它切换成 2x2x2 的立方体形态时,表面积就只有 24 了。

  不说别的,我们现在的身体上就留有我们的祖先几万年的和大自然的战斗历史。我们身边很多人具有的蒙古褶[3],就是让脂肪更好地包裹我们的眼球。1968 年,Steegmann[4]就试图通过实验验证在艾伦法则作用下,「蒙古脸」特征和寒冷环境到底有多大关系。它把作为对照组的大鼠放到 22 摄氏度的环境中,而把作为实验组的大鼠放到 5 摄氏度的环境中让它们生存。最终统计表明鼻腔狭窄,面部较宽,尾巴较短,腿较短的大鼠在寒冷中存活得最好。 比如在北极圈附近生活的爱摩斯基人,他们就具有与艾伦法则相似的形态特征。在 2013 年的一项最新研究中 [5],通过对 263 个居住在某个区域超过 500 年的群体的研究,越靠近北极圈,人们的体重越重,体型也越符合艾伦法则的预期。

  天寒地冻,科学规律告诉我,把自己进化成一个球才是最正经的御寒套路。如果来不及进化的话……那只好先把自己裹成一个球了。

  平时无论是紧张到搓手手,还是寒冷到搓手手,当感受到温暖从双手中逐渐出现的时候,我们确实会从心里感受到一丝的慰藉。当然我这里说的不是苍蝇的搓手手[6],他们是为了清洁身体从而更好地分辨和感受食物,或者吸引异性,我们搓手手则是通过摩擦力做功,变成热能来取暖。

  关于机械能和热能的相互转化,这件我们现在看起来很显然的事情,在几百年前可一点都不显然。当时的人们认为在物质燃烧的时候,会释放出一种被称为燃素(Phlogiston)的物质[7]。一块闪闪发光的金属是怎么制造出来的?在他们看来就是灰渣和燃素结合,变成金属;如果把金属加热,那么燃素就都跑了,又变成为灰渣。普利斯特里关于氧气的研究推翻了燃素说,建立了热质说,此理论认为热是一种称为热质(caloric)的物质[8],热质是一种无质量的气体,物体吸收热质后温度会升高,热质会由温度高的物体流到温度低的物体,也可以穿过固体或液体的孔隙中。

  硬核少年野外利用手钻来钻木取火,由于当时将热质说视为和分子运动论等效的理论,因此对摩擦生热这一现象并未视为对热质说的威胁

  上面的理论都不正确。热质说没法解释很多现象,比如摩擦生热,这仿佛就像凭空变出热质。直到 1843 年,焦耳提出理论,热只是一种能量的形式。怎么证明呢?用机械能来烧锅炉就好了~ 焦耳用以下实验来量测热和能量单位间的转换系数-热功当量:在量热器中加入水,与外界绝热。量热器中有叶片,利用下降的重物带动叶片旋转,使叶片及水的温度上升。测量对应的机械能和升温所需的热量,即可计算热功当量。后来他将液体由水改为鲸油及水银,进行并改进实验达 40 年之久。

  一直到今天,我们在很多时候计算热量,还是以卡路里为单位。其定义为在 1 个大气压下,将 1 克水提升 1 摄氏度所需要的热量。焦耳测量的机械能与热量的换算关系,我们才能把热量和能量等同起来,1 卡 = 4.2 焦。

  绕了一大圈,我们终于回到了搓手手的话题上,正是在前辈科学家不断的努力之下,我们才终于能够明白搓手手的时候到底是怎么把我们的手变暖和的。其实我们还可以估算一下摩擦生的热到底有多「热」——假设一个人的体重为 60 公斤,最大推力约为体重 1/2 左右,为 300N,以此作为两手之间的压力大小,摩擦因数取 0.5,摩擦力约为 150N,如果你搓得够快的线 个来回,总路程约为 0.5m,所以最终加热的瞬时功率可以达到几十瓦的量级。当然这样的计算肯定是高估了,一来无法保持高速摩擦(手要先废掉),二来摩擦力显然也没前面算的那么大,最后的平均功率能够有几瓦就不错了。

  摩擦焊比起以往的焊接更为均匀,也省却了对金属表面的处理,以及各种气氛的保护

  有必要强调一下,为了最大化搓手手产热效率,细皮嫩肉这种摩擦因数比较小的搓手手效率肯定不如粗糙的手高。怎么样让双手不被冻裂,又能保持摩擦因数较大,可能是又一个崭新的科研问题。

  所谓苍蝇蚊子都是肉,在寒冷的冬天里,能够有点自己动手就能丰衣足食的热源,还是知足比较好。

  为了让身体保持一个较高的温度,开源节流这两方面都重要,所以我们身边一丝的能量都不能放过。我们周围最方便获取的,也就是电磁波了。

  无论是最为原始的烤火取暖,还是晒太阳,再到利用电来产热取暖的「小太阳」,热辐射都是重要的传热方式之一。在热力学中,如果一个物体能够吸收外来的全部电磁辐射,并且不会有任何的反射与透射,那这个物体就被称为黑体。而历史上正是通过对黑体的研究,揭开了量子物理的神秘面纱。

  虽然黑体完全吸收外来的电磁波,但是它依旧会向外辐射电磁波。稍稍显得诡谲的一点是,对于任意一个物体,辐射本领 E(υ ,T) 与吸收率 A(υ ,T) 之比是一个与组成物体的物质无关的普适函数——这也就意味着如果一个物体的吸收率越高,那么它的辐射本领越强。

  基尔霍夫证明,辐射本领 E(υ ,T) 与吸收率 A(υ ,T) 之比与物质无关

  正是因为黑体会向外辐射,所以虽然名为黑体,但并不意味着它真的是黑的。在室温下,黑体放出的基本为红外线,但当温度越来越高以后,黑体辐射中就出现越来越多的可见光成分。随着温度的不断升高,颜色分别变为红色,橙色,黄色,白色和蓝色。这大概就是传说中,「五彩斑斓的黑」吧。

  不过在严寒中挣扎的我们,应该也用不上那么花里胡哨的东西,老老实实地把自己抹黑,然后躺平晒太阳(接收来自宇宙的电磁波)就好了。