經常有粉絲后臺私信我,說以前的內容不是量子就是宇宙,要么黑洞要么暗物質,看完就一個感受。
哇好厲害,然后呢?
然后就沒有然后了。跟自己生活零關系。
行吧,那今天咱就聊個人人都干過的事——拆快遞。
準確說是拆快遞時撕膠帶那一下
就這個。透明膠帶,文具店幾塊錢一卷的那種。
你可能壓根沒想過這有啥好聊的。但我告訴你,這個動作背后藏著一個物理現象,科學家研究了幾十年都沒搞清楚,直到昨天一篇論文的出現才算真正有了答案,而且結論離譜到我第一次看到的時候以為自己眼花了。
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你撕膠帶的時候,不是在制造噪音。
是在制造沖擊波。
先回憶一下那個聲音。
刺耳,發顫,有點讓人牙酸的那種。你撕得越快,聲音越尖。有時候辦公室里有人在扯膠帶,隔著兩張桌子都能讓人皺起眉頭。
大部分人的第一反應都是:這不就是摩擦聲嘛?膠帶粘得緊,撕的時候兩個界面相互震動,帶動空氣,就有了聲音。就跟拉小提琴一個道理,弓毛和琴弦之間摩擦產生振動,振動產生聲音。
聽起來很合理對吧。
但這個解釋有個問題:你撕慢一點,聲音變了。你撕快一點,聲音又變了。角度不一樣,聲音不一樣。就連不同牌子的膠帶,聲音都不一樣。如果只是簡單的摩擦震動,不應該有這么多變量。
物理學家盯著這個問題看了幾十年,越研究越覺得這事沒那么簡單。
最早的研究發現了一個關鍵線索:撕膠帶根本不是一個平滑的過程。
你以為你在勻速撕,其實膠帶的分離界面在以一種極其奇怪的方式運動,先粘住,突然松開,再粘住,再松開,整個過程像在抽搐,像一個不聽話的拉鏈,拉一下卡一下。
這個現象有個名字,叫 stick-slip,粘滑運動。
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說起來你可能不信,這個機制在自然界里到處都是。
- 地震的本質就是這個,斷層兩側的巖石互相鎖住,應力積累到臨界點突然滑動,就是地震。
- 籃球運動員急停的時候鞋底在木地板上發出的吱呀聲是這個。
- 你家那個開了好多年的舊門軸,推開門會發出一聲怪響,也是這個。
- 粉筆在黑板上寫字偶爾會發出讓全班人汗毛豎起來的刺耳聲,還是這個。
粘滑運動是摩擦世界里的一個普遍現象,本身并不稀奇。
稀奇的是,膠帶里的粘滑運動,發生得比所有人想象的都要快得多,快到之前所有的觀測手段根本來不及看清楚里面到底發生了什么。
所以問題一直懸在那兒。
直到最近,沙特阿卜杜拉國王科技大學的 Thoroddsen 團隊決定用暴力手段把這個問題解決掉,論文今年發在了《 Physical Review E》 上。
他們的思路很有意思:你們之前都是在聽,我們這次來看。
實驗設置是這樣的:把一條普通的思高透明膠帶粘在一塊玻璃板上,然后撕,同時用兩套完全不同的高速設備同時記錄整個過程。
第一套是高速攝像機,架在玻璃板底部往上拍,透過玻璃直接觀察膠層是怎么從玻璃上脫離的,看斷裂的形態和速度。
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第二套是他們真正的殺手锏,施里倫成像技術。
這個技術可能很多人沒聽過,我解釋一下。正常情況下我們看不見空氣,因為空氣是透明的。但空氣有密度,密度不一樣的地方,光線通過的時候會發生細微的偏折。施里倫成像就是利用這個原理,用一束平行光照射目標區域,然后用特殊的光學系統把這些微小的偏折放大并記錄下來。
換句話說,如果空氣里出現了壓縮波或者沖擊波,這套系統能把它拍出來,你能直接用眼睛看到那個波在空氣里傳播的樣子。
他們就用這套系統對著膠帶附近的空氣,以每秒兩百萬幀的速度錄像。
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兩百萬幀。正常電影是每秒24幀。你刷視頻刷到的慢鏡頭一般是每秒240幀,已經算很高了。兩百萬幀是什么概念,一秒鐘里發生的事情,被切成了兩百萬個切片。
同時,他們在膠帶兩側各放了一個麥克風,把聲音信號和視頻信號同步記錄。
然后做了一件特別關鍵的事:把每一個錄到的聲音脈沖,和視頻里具體某一次斷裂事件一一對應。不是籠統地說這些聲音來自這個過程,而是精確到:這一聲,對應的是視頻第幾幀里的哪一條裂紋。
這個一一對應,才是真正破案的關鍵。
結果讓人意外。
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當你向上拉膠帶的時候,在已經撕開和還沒撕開的交界線稍微靠后一點的位置,會突然冒出一道裂紋。
但這道裂紋的方向非常奇怪,它不是順著撕的方向往前走,而是橫著的,垂直于膠帶的長度方向,從一側邊緣掃到另一側邊緣。
而且它掃過去的速度極快,快到什么程度?
超過了空氣中的聲速。
也就是說,這道裂紋在膠帶里傳播的速度,是超音速的。
當這道裂紋掃到膠帶邊緣的時候,它帶著的能量會向外釋放,打進旁邊的空氣里,形成一個沖擊波。施里倫成像把這個沖擊波拍得清清楚楚,就是一個往外擴散的弧形波前,跟爆炸產生的沖擊波在形態上一模一樣,只是小了億點點。
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這就是一個微型音爆。戰斗機突破音障的時候會產生音爆,是因為飛機速度超過了聲速,機頭前方的壓縮空氣疊加成一道沖擊波。膠帶里發生的事情在本質上是一樣的,只是主角從戰斗機變成了一條幾毫米寬的裂紋。
緊接著,新的裂紋在稍微靠上一點的位置重新形成,再橫掃,再釋放一個沖擊波。這個過程會一直重復,直到你停止撕為止。
一次粘滑循環,不只是停和走,而是一次超音速斷裂事件,一次微型音爆。
現在你再回去想那個聲音。
你聽到的那種連續的"刺啦"聲,其實不是一個聲音,而是一連串極其密集的沖擊波挨個打進你耳朵里。每一次裂紋掃到邊緣,就打出去一個,下一次裂紋掃到邊緣,再打出去一個,頻率高到你的耳朵根本分辯不了它們是分開的,于是全部融合在一起,變成了那道聽起來連續、刺耳、讓人牙酸的聲音。
你以為你在聽一個聲音,其實你在聽幾百個聲音疊在一起。
這件事最反直覺的地方在于,聲音的根源不是摩擦,不是震動,而是斷裂。是材料在以超音速撕裂,是裂紋尖端在沖出邊界的瞬間把能量砸進空氣里。不是振動空氣,是壓縮空氣
一字之差,機制完全不同。
我覺得這個研究有意思的地方不只是結論本身,而是它說明了一件事:我們身邊有大量的現象,看起來稀松平常,其實壓根沒人搞清楚過。
一卷文具,干的是沖擊物理的活。
(參考:Er Qiang Li et al, Screeching sound of peeling tape, Physical Review E (2026). DOI: 10.1103/p19h-9ysx.Physical Review E》)
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