生活物理

第1章　生活與物理

◎杯中的水為何在靠近杯壁處會上翹？
水的表面張力與界面張力

若從側面觀察玻璃杯中的水，會發現靠近杯壁的水面會稍微上翹。
這裡要來探討與此現象有極大相關的表面張力及界面張力。
你我身旁的物體都是由分子所組成。與單一狀態相比，分子在和周遭其他分子相互影響時的能量較小。
液體內的分子無所不在，因此會使能量降低。然而，液體表面之外不存在液體分子，因此其能量並不會少於內部分子。換言之，液體表面（環境變化不連續的區域）愈大，整體能量就愈高。這時，液體為了尋求能量穩定，就會沿著表面發生張力（γLV），讓表面積變小。
從水龍頭口滴落的水滴會呈現圓形，也是因為球體是同大小體積中，表面積最小的形狀。
然而，固體狀態下的分子無法自由移動，因此周圍的其他分子會附著於表面，試著降低能量。此引力會試著縮小固體本身擁有的表面，稱為固體的表面張力（γSV）。
液體與固體的接觸面雖然會出現分子相互吸引的情況，但若環境呈不連續變化時，能量會相對較高，意味著讓界面變小的力量正在活動，此力量稱為界面張力（γSL）。而物質與物質的組合決定究竟會形成何種力量。
就像一開始提到的水杯是因為玻璃表面張力較強，與水的界面張力較弱，使得水會沿壁面上翹。此外，附近的水也可能因黏性影響受到牽引，使水的表面積增加。當水上翹到某種程度時，表面張力與上翹的力量就會達到平衡，形成穩定狀態。
那麼，以鐵氟龍製成的高撥水性水杯又會是什麼情況呢？
鐵氟龍的表現與玻璃相反，表面張力極弱，因此與水的界面張力較強（親和性低），這也使得靠近鐵氟龍杯子壁面的水會沿著壁面下滑並形成穩定狀態。

◎味噌湯碗為何會在桌面上滑動？
摩擦與波以耳─查理定律

將裝有味噌湯的熱湯碗放在溼的桌面或托盤中，有時會出現突然滑動的情況。此現象與摩擦及波以耳─查理定律（Boyle-Charle's law）存在著相關性。
摩擦係指兩物體接觸時的面（界面）在嘗試平行移動時，制止兩界面作用的抵抗力。
味噌湯碗底部有著圓柱狀的凹槽，把湯碗放在溼桌面時，水分會在表面張力的影響下，填滿凹槽與桌面間的縫隙。與桌面及凹槽間呈乾燥狀態時相比，這層薄水膜在潮溼狀態時不僅具備減少摩擦力的潤滑功效，更可讓桌面與凹槽接觸的部分形成密閉空間。
當湯碗夠熱時，殘留於密閉空間內的空氣就會受熱膨脹。
然而，這些空氣受到水形成的壁面阻撓，因此無法釋放至外部。
根據波以耳─查理定律，當閉密空間的體積相等時，一旦空氣溫度上升，壓力就會變大。這也使得凹槽內的空氣壓力大於大氣壓力。
在這樣的情況下，密閉空間內的空氣會支撐起味噌湯與湯碗重量，因此湯碗凹槽直接下壓桌面的力量會變得非常弱，這也使凹槽與桌面間的摩擦力變得很小。
因此，只要桌面稍微傾斜，與桌面平行的重力分力就會讓湯碗朝低處滑行移動。
但若味噌湯過熱反而會破壞水膜，產生氣泡的同時，空氣也會釋放至外部。

◎電冰箱的製冷原理
熱循環與帕爾帖效應

家裡廚房中，電冰箱是不可或缺的電器產品之一。
若要像冰箱一樣達到冰鎮效果，就必須運用熱循環與熱電效應。
這裡就先來介紹利用壓縮與蒸發熱，一般家用冰箱常見的熱循環冷卻法。
家用冰箱會使用異丁烷等冷媒物質。冷媒物質雖會以氣體形式存在，但只要是在高壓的常溫狀態下，就會轉變為液體。
氣體狀態的冷媒經壓縮機壓縮與冷凝器散熱後，就會形成稍微高壓狀態的液體。
其後，此液體會通過膨脹閥或毛細管，送往蒸發器，當壓力下降，液體的沸點便會跟著降低，這時液體就會開始劇烈蒸發。
當液體出現蒸發（汽化）時，就會開始吸取四周的熱能（汽化熱），使周圍溫度下降。
蒸發變成氣體的冷媒回到壓縮機內，並再次產生相同過程，如此一來，就能讓蒸發器四周常保冰冷狀態。
此方法為了壓縮冷媒物質必須使用到壓縮機，因此會產生震動及聲音。
為了解決產生的震動與聲音，有時會使用熱電致冷元件（Peltier device），透過熱移動而非機械性作動的方式進行冷卻。
熱電致冷元件是利用帕爾帖效應（Peltier effect），當電流流過兩種材質相異的金屬或半導體接點時，一端的接點吸熱後，於另一端散熱的現象。

◎影印機為何能夠影印？
靜電的應用

空氣乾燥時脫掉衣服的話，會發出啪啪聲。
這是靜電所造成的現象。靜電總被認為令人相當頭疼，但卻是影印機及印表機不可或缺的原理。
首先，讓我們來思考看看影印機是如何讀取原稿。
由於光線充分反射，讓紙張看起來是白色的。反觀，筆寫的字看起來是黑色，則是因為黑字部分的光線反射效果不佳所致。將此原理加以運用，對原稿照射強光，受到反射光強弱差異的影響，便能讀取出紙張的哪個部分寫有怎樣濃淡的文字。
接著，要來探討如何將讀取的資訊再現於其他紙張上。
我們會將塑膠這類電流不易流動的物體稱為絕緣體，金屬這類容易導電的物體稱為導體。絕緣體雖然能讓產生靜電的電荷停留在表面，卻無法停留在導體上。這也是為什麼塑膠墊板能讓頭髮豎立起來，但金屬板卻做不到。
影印機最重要的感光體元件雖然平常為絕緣體，但遇光就會變成導體。
若將感光體放在烏漆抹黑的房間中，使其表面整個充滿電荷，接著對部分區域照以強光的話，會發生什麼事呢？
照光後形成導體的部分會出現電荷流失的情況，但未照光部分的電荷則會繼續留在原處。這時，若噴附主要由碳構成的黑色細粉（碳粉匣），受到靜電感應的影響，碳粉會被吸引至帶電荷的區域。在這個狀態下於感光體覆蓋紙張，讓碳粉移轉到紙面上的話，就能讓未受光的部分變黑。
現在的影印機或印表機會先以一種使用鎢絲等細線的電暈放電法，讓負電荷均勻分布在感光體表面上。
接著再朝感光體照射強光，讓原稿內容以左右顛倒的方式附著在感光體上。噴附碳粉匣，複印於紙上後，透過加熱紙張等方式，讓紙張與碳粉匣完整密合接觸，如此一來便可完成影印。
只要清理感光體使其變乾淨後，即可重複上述影印過程。
雷射印表機與LED印表機基本上也採取相同原理，但差異之處在於並非直接讀取原稿內容，而是根據來自電腦的資訊，對感光體照射精密控制的雷射光或LED光，將資訊內容印在紙上。

第1章　生活與物理

◎杯中的水為何在靠近杯壁處會上翹？
水的表面張力與界面張力

若從側面觀察玻璃杯中的水，會發現靠近杯壁的水面會稍微上翹。
這裡要來探討與此現象有極大相關的表面張力及界面張力。
你我身旁的物體都是由分子所組成。與單一狀態相比，分子在和周遭其他分子相互影響時的能量較小。
液體內的分子無所不在，因此會使能量降低。然而，液體表面之外不存在液體分子，因此其能量並不會少於內部分子。換言之，液體表面（環境變化不連續的區域）愈大，整體能量就愈高。這時，液體為了尋求能量穩定，就會沿著表面發生...

本書除了包含有約莫10年前由日本文藝社出版的《淺顯易懂的超有趣物理》（原書名為《面白いほどよくわかる物理》）中所提及的主題外，更加入新範疇，將內容全面改寫而成。我個人也是抱著一本全新書籍的心態來撰寫本書。針對前一本書所提及的主題，則是盡可能地加入了這10年間新掌握的研究報告與總評論。此外，更與編輯人員討論了符合當今時代的內容並放入新主題。然而，很可惜的是，受限書籍版面，不得不捨去前一本書的部分內容。
本書所探討的主題全是不著痕跡地存在於你我周遭的事物或現象。我們雖然不懂這些事物或現象的原理也能生活下去，但了解後會發現，原來這些內容能讓生活更快樂。針對部分主題，或許會有讀者並不認為應歸類於物理，但我並不打算錙銖計較這些主題究竟該放在哪一學術範疇。我認為物理吸引人之處，在於利用幾項定律或定理並搭配部分假設來探討各種現象。我期待能更積極深入了解自己認為有趣的事物，即便過去對於這些事物的想法或許不盡相同。
我預設本書的讀者是對於身邊周遭事物或現象原理感興趣，但卻不想閱讀專業書籍之人。對此，我在書中也儘量減少算式，透過平易近人的文章進行說明。但光靠文章仍有表達不到位之處，因此這裡還搭配了許多的詳細圖示。若對書中主題感到興趣或有疑問，強烈建議各位讀者進一步地朝初階專業書籍邁進。
同時，也非常感激日本文藝社書籍編輯部邀約撰寫本書的坂將志編輯，以及從上一本書便大力協助編輯的エディテ１００米田正基先生，在此對兩位致上深深謝意。另外，也要向負責圖版及設計的所有工作人員表達感謝之情。
最後，還要感謝我的妻子時子，利用家事與育兒的空閒時間提供協助。每當我撰寫完原稿之際，便會閱讀內容，並即刻給予建言，就是因為有這些建言，讓書中內容經過多次修改後，才能變得較淺顯易懂。

長澤光晴

本書除了包含有約莫10年前由日本文藝社出版的《淺顯易懂的超有趣物理》（原書名為《面白いほどよくわかる物理》）中所提及的主題外，更加入新範疇，將內容全面改寫而成。我個人也是抱著一本全新書籍的心態來撰寫本書。針對前一本書所提及的主題，則是盡可能地加入了這10年間新掌握的研究報告與總評論。此外，更與編輯人員討論了符合當今時代的內容並放入新主題。然而，很可惜的是，受限書籍版面，不得不捨去前一本書的部分內容。
本書所探討的主題全是不著痕跡地存在於你我周遭的事物或現象。我們雖然不懂這些事物或現象的原理也能生活下...

前言

第1章 生活與物理
杯中的水為何在靠近杯壁處會上翹？
味噌湯碗為何會在桌面上滑動？
沖水馬桶為何能沖水？
為何保溫瓶能夠保溫？
為何用壓力鍋能快速完成料理？
電磁爐（ＩＨ調理器）的加熱原理
電冰箱的製冷原理
影印機為何能夠影印？
桌上曲棍球的原理
鉛筆、橡皮擦及擦擦筆的原理
歷經千年也不會崩落的拱形石橋祕密
為何遙控器能切換頻道？自動門的原理又是什麼？

第2章 自然與物理
天空為何會有好多顏色？
為何會有極光？
為何會出現「焚風」？
為何寒冷的早晨會出現霜柱？
為何寒冷的早晨能夠清楚聽見來自遠方的聲音？
為何溼度高會讓人感到不適？
為何貓眼在夜晚照到光時會發亮？
魚眼有著怎樣的祕密？
水黽為何能浮在水面上？
1年生植物的莖部為何呈圓管狀？
探索彩虹的祕密(1)為何會出現彩虹？
探索彩虹的祕密(2)什麼是霓與環地平弧？
為何河川中央的流速較快？

第3章 運動與物理
為何跳台滑雪選手著地時不會受傷？
為何花式溜冰選手能愈轉愈快？
為何在雪上或冰上很好滑雪或溜冰？
為何短跑須採取蹲踞式起跑？
如何預防罹患潛水夫病？
衝浪時要怎樣才能順利乘浪？
打棒球時，正中「球棒中心」會怎樣？
為何高爾夫球的表面會有凹洞？
為何旋轉投出的球會變曲球？

第4章 交通工具與物理
磁浮列車為何能漂浮前進？
如何測量飛機的速度與高度？
飛機主翼尾端為何會有一塊直立的板子？
飛機的「升力」是如何產生？
螺旋槳飛機、無人機、火箭的「推力」是什麼？
電車與電動車的馬達原理
為何人搭乘雲霄飛車時不會掉下來？
地球同步衛星其實正以每秒3公里的速度飛行？

第5章 光、聲音與物理
為何物體在水中的位置看起來都比較淺？
讓物體看起來比實際更大或更小的透鏡特性為何？
望遠鏡與顯微鏡的原理為何？
為何LED（Light Emitting Diode）會發光？
光纖為何能傳輸大量資訊？
GPS（Global Positioning System）是如何傳輸資訊？
為何聲音在近處及遠方的高低會不一樣？
為何吸了氦氣聲音就會變尖銳？

前言

第1章 生活與物理
杯中的水為何在靠近杯壁處會上翹？
味噌湯碗為何會在桌面上滑動？
沖水馬桶為何能沖水？
為何保溫瓶能夠保溫？
為何用壓力鍋能快速完成料理？
電磁爐（ＩＨ調理器）的加熱原理
電冰箱的製冷原理
影印機為何能夠影印？
桌上曲棍球的原理
鉛筆、橡皮擦及擦擦筆的原理
歷經千年也不會崩落的拱形石橋祕密
為何遙控器能切換頻道？自動門的原理又是什麼？

第2章 自然與物理
天空為何會有好多顏色？
為何會有極光？
為何會出現「焚風」？
為何寒冷的早晨會出現霜柱？
為何寒冷的早晨能夠清楚聽見...