5.30更新
两年前的回答最近突然火了,这两天收到的评论比之前加一起都多。
谢谢大家喜欢!受宠若惊
也感谢两位大佬送出的专业认证!受之有愧!
评论区也有其他学科的大佬指出了一些表述问题,我都已经置顶了。欢迎大家讨论!
以下原文:
比如一些违背自觉的事情:
1.木制结构的房屋比钢结构更耐火
乍一看挺离谱的:木材本身作为可燃物,怎么会比钢铁更耐火
其实作为一个理科生,在没有接触到建筑材料之前,我也会上面那种想法
但是自从在专业课上接触一些了木结构设计的基本知识后,我也是深深的感叹世界的神奇。
一般来说,不燃结构的一般建筑物火灾温度大约在900℃,高层建筑物火灾温度更是可达1300℃。
这样的高温对于一般钢铁结构来讲,是完全承受不住的。
在下面图像可以看到,当温度达到600-800度时,钢铁的强度会经历一个快速下降的过程。直观感受就是钢铁变软

具有承重功能的钢铁结构(梁,柱,桁架等)一旦变软,就会造成建筑结构的塌方。在建筑物里面的人如果没有及时逃离,可能不是被火灾烧死,而是会由于建筑结构倒塌而被活埋。
所以国家标准在设计钢结构建筑时,都会要求建筑的耐火时限。在这个时限内,结构才是安全的。
那木材是怎么做到比钢铁更“持久”的呢?
这是一张烧过火的结构木图片,我们发现外表虽然碳化的十分严重,但内部的结构几乎完好如初

由于木材的致密结构,在外部暴露在火灾下的时候,由于内部没有氧气所以不会发生燃烧
而外部的“木炭”向内扩展的速度又非常缓慢
使得内部一直可以承受结构重量,从而达到了更坚挺的效果。

这是来源于火灾现场的一张照片
可以看到钢梁由于高温熔化,软得像橡皮糖一样“躺”在了木梁上
而木梁虽然也有些“面目全非”但好歹还是保持了原有的结构。
评论区另一位同学
的补充解释也十分精确,供大家学习参考
“一方面木材比钢材导热性能低,外表温度很高而内部可能还没达到着火点;另一方面在建筑用材上木材都是用实心致密结构,而钢材为减轻重量、节省建材大都采用空心或片状结构,这就导致钢材相对受热面积更大更容易热熔。”
(当然我们现在有很多手段可以改进钢铁材料,让其耐火性更强。比如防火处理手段,或在钢结构外部增加一定厚度的混凝土保护层。
本文仅基于自然条件下两种材料的特性做一些反常识科普,杠下留情)
2.混凝土在水中会“干”的更快
小时候看建筑工地的工人施工都会十分担忧
“刚浇完水泥,没干透呢就下雨了,楼会不会塌啊”

包括水泥地上的一些脚印,我都以为是没干透的水泥下雨了,导致人陷进去…………
其实不然
水泥的硬化过程其实是一个化学过程(水和反应)
水作为反应的原料,在固化的一整个过程中,其实是越多越好的!
(注意:不是说拌水泥时水加得越多越好,而是在水泥成型后的固化过程当中,反应水越多越好!!!搅拌混凝土如果水加的太多会影响水灰比,和坍落度,反而降低混凝土强度)
所以才会有“水泥养护”的说法
图中的工人就是在给成型的水泥浇水覆膜,防止夏天水分蒸发
使其有足够的水分参与到水泥的固化当中,可以让混凝土品质更高
我大二的时候,p都不懂,在实验室帮忙,做一些混凝土试样
当我的导师第一次要求我把它们泡水里的时候,我心里是困惑的
后来学了微观结构,了解了水泥固化的微观过程
“混凝土水养”才知道了其中的道理
3.胶合板比实木更坚固
什么东西都是实木的更好,这个直觉的大概都来自近几年大家对“实木家具”的追捧
但其实人造木材(胶合板,LVL)在结构中的应用比实木大得多,力学性能也更好。
实木由于自然形成,会有许多“缺陷”,这导致木结构在受力时会很不均匀(各向异性),容易造成裂纹和破坏
而人造板材(胶合板)
通过把一张一张木片叠合在一起,分散了“缺陷”,使得木材结构更均匀
这样当某处微小裂纹产生时
会由于周围都是“相对完美”材料,而防止其进一步扩散
而且胶合板可以被制作成任意长度和形状,使其在工程中得到了广泛的应用。
(胶合板在木制建筑中主要用于横梁、托梁、门架、承重柱等等受力结构)
话说回来,为什么实木家具会比人造木更受追捧呢?
这就涉及到实木比人造木的优点了
刚才我们讨论的是两者的力学性能
但买家具,做橱柜,铺地板,这些诉求和力学性质大相径庭(想玩桌面碎大石??)
实木家具由于其纹理自然(美观),吸水性(除湿),隔音性好,才被广泛用于家装材料当中。
而且价格因素也让实木成为身份和地位的象征,毕竟更贵的价格,就代表着更高级………
而胶合板由于其中的胶质更易释放甲醛等有害气体,导致室内空气浑浊,故也不常用于室内装修应用。
以后当陪着家里的大人们在家居市场挑家具的时候,说“这都是胶合板,质量不好”的时候,其实可以心中暗暗为胶合板正名一下
因为它都是被用在看不见的地方,承受建筑重量,保护的大家的安全
4. 橡胶是“不可压缩材料”
小朋友,你是否有许多问号??
我宁愿相信爱情,也不会相信橡胶会“不可压缩”
其实这种直觉颠覆,通常来自于人们对力学性质的常识理解与其学术定义的不同
按照一般常识,橡胶由于其良好的弹性,大多都被用来减震,缓解冲击力等。所以在我们的直观世界里,橡胶就像弹簧一样,可伸可缩,又松又弹,当然是“可压缩”的了
但在工程上,对材料“可压缩性(compressibility)”的定义为:
“温度一定时,流体受压力的作用而使体积发生变化的性质称为可压缩性”——百度词条
注意关键词“使体积发生变化”才算可压缩
橡胶作为一种高分子材料,虽然共价键赋予了橡胶某些固体的特征,但其内部单分子水平与液体非常相似。
这种内部高聚物的紧密堆积,使它像液体一样很难被压缩,而且分子之间可以彼此较容易的滑动,因此橡胶可以很轻易的被改变形状,而不是被改变体积
在大型的起重设备上,我们常常听说“液压杆“
液压装置里的液体只是改变了形状,但体积却丝毫不减(微乎其微)
泵入多少液体,压杆就可以被成比例的推升相应高度,重物就可以被吊起多高
这个线性关系是工程师最喜欢的,而这正是由于液体相对“不可压缩”这一特性
试想,如果是一个空气压杆,开始的时候充入2m³气体能使货物抬升1m(打个比方)到后面由于空气被压缩,体积增加不是线性的,所以到最后可能充5m³气体才能抬升1m的距离,这种边际递减的效益,是相当不合算的
在材料力学中,可压缩性(Compressibility) 与材料的泊松比(Possion’s ratio)有着直接关系. 一般来说泊松比越接近0.5,则材料就越不可被压缩
空气的泊松比为0,水的泊松比为0.5,橡胶为0.43
在一般的工程应用中,会忽略橡胶在受压时的轻微的体积变化,而只考虑其形状的影响所以也将其视为“不可压缩”材料。
所以,再揉一揉手头的橡胶制品,形状虽然任你蹂躏,可人体积可是不变的
好像还有点傲娇
发一个很老的梗:当禅师遇到理科生
转载自: 当禅师遇到理科生(全) , 原始出处不可考
1、青年问禅师:“大师,我很爱我的女朋友,她也有很多优点,但是总有几个缺点让我非常讨厌,有什么方法能让她改变?”
禅师浅笑,答:“方法很简单,不过若想我教你,你需先下山为我找一张只有正面没有背面的纸回来。”
青年略一沉吟,掏出一个莫比乌斯环。


2、青年问禅师:“我的心被忧愁和烦恼塞满了怎么办?”
禅师若有所思地说:“你随手画一条曲线。用放大镜放大了看。它的周围难道不是十分明朗开阔吗?”
那个青年画了一条皮亚诺曲线。


3、青年再问禅师:“我的头脑却是被这种繁杂的世俗所装满,却要如何是好?”
禅师说:“你画一个没有瓶口的瓶子。它总有一个尽头。你不把它里面的东西倒出来,怎么装新的进去?”
青年若有所思,画了一个克莱因瓶。


4、青年问禅师:我想要很多钱,但是又不想付出,你能教给我方法吗?
禅师微笑道:可以,但你能找到一样东西,它无穷无尽,但又不占任何地方吗?
青年默默地写了一个康托尔集。
(康托尔集是个测度为0的集,用简单的解析几何说法就是这函数图像面积为0。取一条长度为1的直线段,将它三等分,去掉中间一段,留剩下两段,再将剩下的两段再分别三等分,各去掉中间一段,剩下更短的四段,……,将这样的操作一直继续下去,直至无穷)
5、青年问禅师:“我觉得我在这个世界上是多余的,没有人需要我。”
禅师说:“就像你所学的数学,无论怎样复杂艰深的函数,都有适合的图形对应。你只是还没找到那个图形而已。”
青年沉思一番,提笔写下了狄利克雷函数的解析式。


6、青年问禅师:“大师,在单位,他们总嫌我棱角太突出,不合群!”
禅师掏出数根圆柱铺在地上,在上面搁了一块木板,并推动它,说:“你看,轮子合作一致才能保持所承载木板的平稳前进,你能找到棱角突出的形状也让木板平稳前进吗?”
青年略一沉吟,默默地掏出一个莱洛三角形。


7、大师说:“理工科青年谢绝入内!”青年忙辩白:“大师别介!我是学艺术的。”大师松了一口气。
青年问:“大师,怎样才能踏准人生前进的道路?”
大师笑说:“人生如阶梯,若不往上走,就会往下行。你可画得出一个又上又下的楼梯么?”
青年想了想,参照埃舍尔的风格画了一幅画。


8、青年:为什么在一次比赛中冠军和亚军都付出了同样的努力,而人们只记住了冠军呢?
禅师:我给你讲个人生哲学吧!
青年:好!
禅师:世界第一高峰是哪个?
青年:珠穆朗玛峰!
禅师:世界第二高峰呢?
青年:乔戈里峰!
禅师:第三高峰呢?
青年:干城章嘉峰!
禅师:第四高峰?
青年:洛子峰
禅师:第五?
青年:马卡鲁峰!
禅师:……
青年:哎,说起来,你刚才说想给我讲的人生哲学是什么啊?
禅师:……
9、“我发现我的内心到处都是空虚,怎么办?”
禅师说:“一块破烂不堪的布,剪下其中的一小块,不也是完好无缺的么?”
青年默默地掏出了一块谢尔宾斯基地毯。


10、青年问禅师:“我工作很努力,但事业上却没有一点成就,怎么办?”
禅师说:“九十度很热,但这样的水温,能让水沸腾吗?”
青年幽幽的说:“我的故乡在西藏。”
(海拔高处沸点低。)
11、青年问禅师:“我现在遇到了很多很多的困难和烦恼,怎么办?”
禅师说:“你随手画一条曲线,用放大镜放大了看,它还有那么弯曲吗?”
那个青年画了一个魏尔斯特拉斯函数。


12、青年问禅师:“我的心就像门一样,她的离去,将它关闭,我可能无法再爱了。”
禅师若有所思地说:“你看看这朵花,多么的美丽。美之前,如何让心无法开朗?”
青年说:“恩。”
禅师继续说:“难道在开的东西会是闭的么?”
“空集。”青年随口答道。
(空集既是开集也是闭集)
13、青年问禅师:“大师,我喜欢一个姑娘,但是我和她相距千里她又不喜欢我?”
禅师浅笑,答:“得不到的就是得不到,这就是没有缘吧,你和她像两个平行线永远没有交叉点。”
青年略一沉吟,“黎曼几何。”


14、青年问禅师,我朋友逝世了,我很悲伤。
禅师说,世间哪有长生不老之物?
青年沉吟片刻,拿出一个薛定谔的猫。
(薛定谔的猫永远不知道它是死是活。)
15、青年人问大师:“四季循环,昼夜更替,为什么会有这种自然规律?”
大师微微思索道:“你看天上恒河沙数,但它们都有自己既定的运行轨道。但凡我们能够描述的事物,都会有它自己的规律。”
于是,青年人在沙地上写出了薛定谔方程。
(薛定谔方程表明量子力学中,粒子以概率的方式出现,没有规律。)
16、青年:“大师,我期末辛苦准备了很久成绩却还是不好,GPA降了好多,有什么方法能让我GPA只升不降么?”
禅师浅笑,答:“潮涨潮落,月圆月缺,这世上可有什么规律是一直增长却断然不会下降的?”
青年略一沉吟说:“熵”。
(孤立系统的熵值永远是增加的。)
17、青年问禅师:我和我女朋友总是闹矛盾,我们总有着相反的看法,可是我又很爱她,不想分手,怎么办?
禅师微笑道:万物间相生相克,就像水火不兼容,既然不适合,何不分开?
青年略一沉吟,说:“钠能在水里燃烧。”
18、青年问禅师:大师,为什么我有很多优点,可是别人看到的全都是我的缺点呢?
禅师微笑道:这就像一面镜子,你只能看到自己的容貌,却看不到镜子后的他人。你能找到一面不一样的镜子吗?
青年略一沉吟,把迈克尔逊干涉仪里的半透半反介质拆了下来。
(迈克尔逊干涉仪里的半透半反介质在反射一部分光线的同时,也可以和玻璃一样透过一部分光线。)
19、青年问禅师:大师,我很爱我的女朋友,她也有很多优点,但是总有几个缺点让我非常讨厌,有什么方法能让她改变?
禅师浅笑,答:方法很简单,不过若想我教你,你需先下山为我找一种既是假的又是真的东西回来。青年略一沉吟,说道:我的这句话是谎话。
(逻辑学的学生伤不起!)
20、禅师举着一个钵,让青年把他装满,青年装了一钵石子。
禅师说:其实,钵并没有满。
于是往里又加了一些沙子:现在满了吗?
青年略一沉吟,说还可以加氢氟酸溶解掉沙石蒸去残液,再高温熔融,最后还原成硅单质并且做成闪存装满数据。
科学之美
讲8个可以直观感受科学魅力的知识
1、欧拉公式

欧拉是数学史上最伟大的四位数学家之一(阿基米德、牛顿、欧拉、高斯)。
这个公式的重要意义,在于把指数函数,和三角函数联系在了一起。
有趣的地方在于,当x等于π的时候,公式就变成了

这个公式把e、i、π、1、0五个数学中最重要的数联系在了一起,
令人着迷,而且简洁优美,
被称为“上帝创造的公式”。
2、费马大定理

简单来说就是,勾股定理,在指数为不是1或2的正整数时,都不成立。
费马也是一位数学家,他提出这个猜想后,在旁边写了一句很有意思的话
“我确信已发现了一种美妙的证法 ,可惜这里空白的地方太小,我写不下”。
然后历代数学家前赴后继,一共用了354年,高斯欧拉等大神都未能证明它。
300年啊,所有数学家一起围攻的一个问题,都没能被解决。
直到1995年,才被英国数学家怀尔斯证明。
费马大定理被称为:困扰世间智者的难题。
在证明期间,许多全新的数学思想就此诞生,所以当它被证明之时。有人说,会下金蛋的鸡死了……
后来人们也基本认定费马没证明,他写那句话就是装个逼……
3、麦克斯韦方程组

麦克斯韦是牛顿之后,爱因斯坦之前最伟大的物理学家。这四个简洁的方程统一了电磁学。
类比一下就是现代物理大致分为经典力学、量子力学、相对论、弦理论,但四个领域的公式很多互不通用。爱因斯坦毕生的遗憾就是没能写出统一所有物理领域的大统一方程。
之前电磁学的公式和知识也是如此散乱,
直到麦克斯韦方程组一出。
麦克斯韦方程组相当于电磁学的大统一公式。
(牛顿把苹果掉到地上的物理公式,和天体运行公式,统一在了万有引力定律)
这个公式是理科生最常用,也最易理解的公式之一,很多理科生看了之后都想跪下来膜拜大神……
3、笛卡尔心形曲线

这是一个用极坐标表示的曲线,极坐标是拿长度和角度表示函数的一种坐标。
这个函数的形状是一个心形,表达式也很简洁优美,就如纯粹的爱心。
笛卡尔是个单身的数学家和物理学家,人们给他和这个函数编了一个凄美的爱情故事,
百岁山的广告就是在讲这个故事。
这个心形函数是初阶版本,进阶版本也有,但较为复杂。
不过不少人觉得这个函数更像屁股……
受此启发,理科生开始了他们的浪漫

5、相对论

物理学上伟人无数,最伟大的就两个,牛顿和爱因斯坦,麦克斯韦都排不上号。相对论的大名大家都听过,但很难讲得又简单又清楚,我就挑好懂的部分讲。
先说狭义相对论,起因是人们发现光的速度很神奇:
假如你不动,一辆车以10m/s的速度开过去,你测量车的速度就是10m/s;
如果你以1m/s的速度与车同向走路再测,那车速就是9m/s。
但你测光速,两次结果却是一样的,无论你以什么速度走,光速都不变,与你的速度无关。
这就是光速不变原理。这个基础上爱因斯坦认为光速是最快的速度,然后一通操作,得出结论:
速度越大,质量越大,长度越短,时间变慢。
不过这个要在接近光速的时候才能体现,平时速度慢感觉不到。
广义相对论的基础是重力效果等于加速度效果。
比如你坐电梯,电梯上升加速的时候你会感觉身体一沉,这和地心引力增大感觉相同。
下降的时候会失重,身体一飘和地心引力减小感觉相同。
然后爱因斯坦又是一通操作得出:
光受引力会弯曲。
比如光经过太阳时,所以我们能看到太阳后面的星球。
万有引力是通过引力波转递产生效果的,引力波的速度等于光速。
质量很大的恒星会变成黑洞,光都跑不出来。
爱因斯坦曾说,如果我没有提出狭义相对论或许有人在10年内会提出,如果我没有提出广义相对论,50年内都不会有人提出。
哦,大神,接受我的膜拜。
6、潮汐锁定

月球为什么始终一个面对着地球?这和钱江潮、每天的涨潮落潮是一个原因

由于地球直径很长,所以近日点比远日点受到太阳引力大。
而地球中心是平衡点,所以两端一端被拉向太阳,一端被抛离太阳

又由于地球表面是水,所以两端水被拉高了,就是蓝色笔,为涨潮,另外两端就是落潮。
每天地球转一圈就是潮涨潮落。
月球地球太阳一条线,且月球在中间时,引力最大,潮水最大,即每月十五十六的样子。
同理,由于力的作用是相互的,月球给地球上的水潮汐力,也会受到地球的反作用力。
但月球上是石头,所以月球被拉成了椭圆形。
又因为受力平衡,椭圆形瘦长的一端必须始终朝向地球。
于是月球就被潮汐引力锁住了,始终只能一面朝着地球。
于是古人展开了许多遐想,创作了许多文学佳作。
7、薛定谔方程

曾有人问,如果知道所有物体的物理状态,那是不是就可以计算出他的未来的轨迹,可以预测未来?
薛定谔方程否决了这一点,它表明量子力学中,粒子以概率的方式出现,具有不确定性。
知道位置就不知道速度,知道速度就不知道位置。
这不能用经典物理公式计算,也就无法计算他未来的位置,彻底否决了预测未来的言论。
所以这个公式在量子力学中有重要地位。
提到薛定谔就不得不提到薛定谔的猫,
这个实验表明,不确定状态的量子,只有被打开观测了你才知道他的状态,没被观测前你是不知道它的状态的。
但这个量子的状态又是肯定存在而且确定的,只是你不知道。
所以生命被量子决定的猫在盒子被打开观测前也不知死活。
但猫的死和活的状态又应该是确定的。
从而造成这只猫处于既死又活的不确定状态。
还有延伸出来的薛定谔的处女……
8、黎曼猜想

黎曼猜想和哥德巴赫猜想同样重要,只不过黎曼猜想难以对常人讲述,所以很少提起。
它和哥德巴赫猜想一样是研究质数分部的,猜想质数的分布有着一定的规律。
先说说质数,质数是无穷多的,在数学中还很重要,所以人们对它的分布十分好奇。
但是黎曼提出了一个猜想,如果被证实了,那可以说明部分质数的分布确实有一定的规律。
但是数学家证了100多年还没证出来……
虽然证不出来,但是所有数学家都认为他是对的……
于是数学家们直接以黎曼猜想为基础,继续往后推,又搞出了一堆重要猜想。
黎曼猜想证对了问题不大,一堆猜想升级为定理,如果证明是错的,数学大厦塌一层楼。
那黎曼猜想有多重要呢?重要到可能会推进哥德巴赫猜想的证明,密码学的重新洗牌。
1900年,被誉为最后一位,精通所有数学领域的数学大师——希尔伯特提出来了23个世纪数学难题。
黎曼猜想在其中。
希尔伯特曾说,如果自己在500年后复活,第一个想问的就是:黎曼猜想被证明出来了吗?
科学之美,让无数伟人投毕生于其中。
戴维招法拉第为助手时问他:“科学是很苦的,而且没有回报,你做好准备了吗?”
法拉第回答:“我觉得科学本身就是一种回报。”
科学之美,在法拉第看来超乎一切世间珍宝。
如果不知道科学之美,那我觉得,确实是文科生的一个遗憾
