雨滴为什么有大有小？| No.358
雨滴是怎么形成的？
为什么会有毛毛细雨和豆大的雨滴？
它们是如何聚集成不同的大小？
本期我们就来揭秘雨滴形成之谜
Q1
以前的磁带是怎么记录声音的？是什么原理？
by 好问的小蓝
答：磁带是最早诞生于德国记录声音的磁性存储介质，其黑色半透明的长条磁带，是在狭长的塑料薄膜上涂上可磁化的材料，这种材料通常为氧化铁涂层，将其缠绕在卷轴上，在包装上塑料盒，即我们以前经常看到的商品磁带外形。
图1：盒式磁带 来源参考文献1 磁带记录声音，是在更早期的磁线记录上发展起来的，当磁线匀速拉过录音磁头，录音磁头会根据电音频信号的强度而磁化磁线上的每个点，从而磁线上记录了声音信号；当磁头没有施加电信号时，磁线经过相似或同样的磁头，磁线会在磁头上诱导出变化的电场，产生电信号将其还原为声音。
图2：磁带线性读写方式 来源参考文献3 早期的磁带具有7个平行的数据磁带，可以在磁带上同时写入6位字符和1位奇偶校验，后来发展为9轨磁带。简单的可以这样理解，磁线记录使用一个磁头进行读写，而磁带记录可以由多个磁头同时在磁带上写入并行的磁道；磁头数目固定，如果可以让磁头略微向垂直方向移动，磁带再反方向移动和记录，可以在相同的磁带长度和磁头数量的情况下，实现更高的数据存储容量。
参考资料：
[1]维基百科：磁带
[2]维基百科：线记录
[3]维基百科：磁带数据存储
by jita
Q.E.D.
Q2
电脑压缩的原理是什么？
by 匿名
答：电脑数据压缩是一个庞大的课题，在这里只能简述其最为核心的思想。压缩，顾名思义就是用较少量的信息代表原本更大量的信息，那么很自然地就会想到：要么原本的数据有冗余、要么压缩后的数据有丢失。这正对应着压缩的两个分支——无损压缩与有损压缩。
图1 一些不正经的数据重复 无损压缩利用了信息的部分重复、分布规则等特征，通过引入合理的数据结构来更凝练地表达同样的信息，常用于诸如文件压缩这种不希望信息有任何丢失的场景。以哈夫曼编码为代表的熵编码、LZ77为代表的字典编码都属于无损压缩的算法，而这两种算法也正是ZIP压缩的核心算法。比如在LZ77编码中，一段文字信息中重复的片段会被转化为“距离+长度”的形式表示。距离是代表与多少字节前的文字重复，长度则代表重复的字节有多少。
图2 LZ77编码示意【注：每个汉字为两字节】 有损压缩则充分利用了不同种类的信息在被人眼等感官捕捉时起到作用的主次之别，尽可能削减对感观影响较小的信息来压缩数据量。比如我们熟知的JPEG图片格式就是一种经由有损压缩得到的图片格式。由于人眼中对于亮度敏感的视杆细胞多于对于色彩敏感的视锥细胞，所以在第一步压缩时优先保留亮度信息而丢弃部分色彩信息。又由于图片中更易被注意到的往往是相对缓变的整体信息，而数个像素尺度的极为细节的波动往往被忽略，因此采用离散余弦变换方法“滤去”了后者。其他的有损压缩算法还包括分形压缩、小波压缩等。
图3 有损压缩(JPEG)的表现往往还不错 参考资料：
[1]维基百科：数据压缩
[2]【中英双字】JPEG算法原理 jpeg图片是如何压缩的？_哔哩哔哩
[3]你还不懂ZIP压缩的原理？一条视频讲清楚ZIP算法中的LZ77编码_哔哩哔哩
by 云开叶落
Q.E.D.
Q3
为什么臭豆腐有种独特的臭味？这是什么原理？
by 好问的小啦
答：虽然小编不吃臭豆腐，也拒绝尝试榴莲，但不妨碍你的问题成功地吸引了我的注意力(同款疑惑)!
臭豆腐之所以“闻起来臭”，是因为组成豆类蛋白质的氨基酸中，有一些含硫的氨基酸及色氨酸等较为特殊的氨基酸，这些氨基酸在微生物的作用下转化成了含硫化物，例如二甲基二硫、二甲基三硫、二甲基四硫、硫化氢、吲哚，这些化合物易挥发，阈值低，闻起来味道也不是太好。
“闻着臭，吃着香”的宣传已经深入人心，后半句话也是有科学依据的。豆类所含的蛋白质，在微生物(霉菌或乳酸菌)的作用下，水解成更容易被消化的多肽和氨基酸，例如谷氨酸，它是味精和鸡精的主要成分之一，这就使得发酵以后的臭豆腐味道吃着香。此外，臭豆腐经过后期的油炸，在高温下挥发掉部分臭味小分子物质，并且氨基酸与糖类会发生美拉德反应(不知道的不能说是老粉丝，参见往期推文)，臭味减轻了，香味得到了进一步提升，这也是为什么臭豆腐经常用“油炸”方式食用的原因了。
留个阅后思考题:那么榴莲呢(手动狗头)?
参考资料：
by 草莓熊
Q.E.D.
Q4
雨滴是怎么形成的？为什有的很大滴，有的很细小？
by 匿名
答：当上升的气流携带水蒸气达到高空时，水蒸气会在空气中的尘埃、冰、盐等凝结核上凝结而形成云，当水滴汇聚形成更大的水滴时发生聚结，而上升的空气阻力使得水滴可以保持在高空而不下落；空气中出现湍流时，水滴之间彼此碰撞，形成更大的水滴，在其自身更大的重力作用下，水滴将下落。
影响水滴最终落下时大小的因素很多，而液滴大小的分布满足随尺寸大小的指数递减关系，而直径介于和单位空间中液滴的数目满足，而平均直径与降水量相关，满足。这些参数在某种程度上取决于温度。
雨滴的尺寸从0.1mm到9mm不等，随雨滴的尺寸增大，雨滴的形状变扁，在空气阻力和气流影响下形成降落伞形状，更加容易破碎成更多小水滴。空气阻力也是影响雨滴尺寸的因素。
图1：高速摄像机拍摄到6mm水滴下落时在空气阻力影响下变形而最终破碎 因此在高空碰撞形成的水滴大小并不代表真正落到地面的水滴大小，如果在地面温度很高，水滴在下落的过程中蒸发会减小水滴的尺寸，而过大的水滴在下落的过程中在空气阻力的影响下变形破碎，而冰雹落下过程中融化形成的雨滴往往又很大，最后落到地面的雨滴大小是很复杂的，而碰撞并不是影响雨滴落到地面时尺寸的唯一因素。感兴趣的读者可以阅读一下参考文献2吧。
参考资料：
[1]维基百科：雨
[2]Villermaux, Emmanuel, and Benjamin Bossa. "Single-drop fragmentation determines size distribution of raindrops." Nature physics 5, no. 9 (2009): 697-702.
by jita
Q.E.D.
Q5
我们知道有气态巨行星，那么有气态巨卫星吗？如果太阳系没有，那么系外行星可能会有吗？by 匿名
答：太阳系目前没有发现气态卫星。但理论上来说，只要行星附近聚集足够多的气体，以至于它们能在引力作用下聚集成体，并且足够远离母行星以防止气体被夺走，还是有可能形成气态卫星的。但这个条件可谓相当苛刻，它存在的概率恐怕并不会很高。
2017年，Teachey团队宣布通过凌日法发现一颗系外卫星开普勒1625b-i，这是人们发现的第一个系外卫星。这颗卫星在被行星开普勒1625b带着掠过恒星开普勒1625时，会导致恒星的视亮度下降，下图中用红色箭头标注的浅凹坑就是这颗系外卫星存在的依据。
开普勒1625b和它的卫星的三次凌日事件 | 图源：[1,2] 据进一步观测，开普勒1625b是一颗木星大小的气态巨行星，而开普勒1625b-i是一颗海王星大小的卫星，至于这颗卫星是气态还是固态，还有待于进一步观测。
参考资料：
[1]如何看待哈勃望远镜发现第一颗可能的候选系外卫星？-haibaraemily
[2]Teachey A , Kipping D M , Schmitt A R . HEK. VI. On the Dearth of Galilean Analogs in Kepler, and the Exomoon Candidate Kepler-1625b I[J]. AJ, 2018, 155.
by 牧羊
Q.E.D.
Q6
直流电和交流电，哪个更便于输送？交流电的感抗、容抗损失较大，那么相对直流电有什么优点吗？by 匿名
答：以目前的技术来看，交流电输送更加便捷，其最主要的原因是交流电可以非常方便的进行升压和降压，而高压输电可以有效的提高电力传输的效率，电线中的电阻会损耗部分传输的能量，可以用来描述输电过程中功率的损耗，当电线中传输固定的功率，如果电压加倍，意味着电流减半，而线路电阻导致的功率损耗将减少为四分之一，所以人们同时使用高压输电来减少损耗。而直流电的升压和降压变得困难，直流变压站的转换设备价格高昂，并且目前直流转换系统的可靠性差，从经济上来讲是不划算的。
图1：变压器，结构简单，可以进行交流电的升压和降压 图片来源参考文献1 如果不考虑升压和降压问题，长距离点对点的高压直流电的输送具有更低的损耗，这是因为直流电仅传送有效功率，而交流电需要同时传输有功功率和无功功率（电容电感带来了相位的变化造成的），损耗更大。
在未来，随着技术的进步，直流输电从经济成本上会逐渐降低，也许有一天，我们会看到更多的特高压直流输电线路。
参考资料：
[1]维基百科：变压器
[2]维基百科：高压直流
[3]维基百科：交流电
by jita
Q.E.D.
Q7
E=mc^2，为什么不能理解成质量转化为能量？
by 昆明市第一中学熊亚亨
答：因为这个方程说的就是质量=能量。你应该把它理解成番茄=西红柿，这两个名字指的是一个东西。如果说番茄转化成了西红柿，是不是就很诡异了？同理，说“质量转化为能量”也是很诡异的，你应该理解为“质量和能量是一个东西在两种角度下的称呼”。
为了更进一步地理解这个公式，我们把它的完全体写出来
举个例子，一个质子的静止质量，你会发现它不仅可以用质量单位kg来量化，还能用能量单位MeV来量化（这里c不重要所以一般可以略去），后者对应的数值比较简单，所以也被粒子物理学家广泛采用。现在再想象一下把它加速到光速的99%，它的能量（或者我们可以暂时称为“动质量”）就变成了
在这个视角下，所谓的“动质量”是依赖于参考系的。不过我们一般说的“质量”指的是粒子的静止质量，它是洛伦兹标量，不随参考系变化。
另一个要注意的地方是，对于光子，它相对于任意参考系都有v=c，并且静止质量为0，所以上面关于动质量的式子并不适用于它。“动质量”这个概念其实并不妥当，更一般的质能关系应该把运动增加的质能写成动量项，这样我们会得到能动量关系
最后我们说说核反应中的能动量关系。比如氘氚聚变，反应前后粒子的静质量损失了17.6MeV，这部分能量就会放到动量项里，也就是产生的氦4带上3.5MeV的动能，产生的中子带上14.1MeV的动能。
by 牧羊
Q.E.D.
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编辑：牧羊
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