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硬核大叔用橡皮筋做冰箱,撸几下啤酒就凉了

橡皮筋居然还有这个作用?

文章来源:把科学带回家
ID:steamforkids
作者:七君
编辑:捌条

你知道吗,橡皮筋可以做冰箱哦。

不信吗?你可以把女同学头上的橡皮筋扯下来试一试。

如果你先把它拉长,它就会变热。再缩回来的话,就会变冷。

硬核大叔用橡皮筋做冰箱,撸几下啤酒就凉了

红外成像仪下,拉长的皮筋温度升高,回缩时温度降低。

用手指可能感受不出,还是用人体最敏感的部位——嘴唇来感受一下。

硬核大叔用橡皮筋做冰箱,撸几下啤酒就凉了

果然是这样对吧。

如果你的嘴唇比较麻痹,你可以闻一下拉伸后的橡皮筋,是不是有那味儿了?那就是变热的橡皮筋发出的挥发物的味道。

好了,亲完橡皮筋,就可以把它还给目瞪口呆的女同学了。

硬核大叔用橡皮筋做冰箱,撸几下啤酒就凉了

这个原理除了增加和女生的社交距离以外还有什么实际用途呢?

一个油管上的老哥就开始利用这个原理制造冰箱,原材料只有橡皮筋和木板。

他先设计了能够拉伸橡皮筋的齿轮,长这样子——

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每根皮筋绕过中间的圆盘形成A形的捆绑,皮筋两端扎在相邻的齿轮上。这样一来,随着齿轮的旋转,皮筋一会儿拉紧,一会儿放松。图片来源:Applied Science

为了让空气流通,还在轴上装了2个小风扇——

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橡皮筋的一半被拉伸,一半紧缩。拉伸的这一端更热,所以就被放在冰箱外面,紧缩的放在冰箱里面。

大叔这样手摇了几圈,在红外热成像仪下,橡皮筋冰箱内外温差大概是2摄氏度左右,厉害厉害。

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还有一位光头大汉更猛,直接用橡皮筋把啤酒撸凉。

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这位大哥制造的这个拉皮条机拉伸后可以升温10摄氏度,缩回原状时可以下降10摄氏度。于是他就用这个机器来冰啤酒了。

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这样撸几下,啤酒表面就会从14摄氏度下降到12摄氏度。

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硬核大叔用橡皮筋做冰箱,撸几下啤酒就凉了

图片来源:Joerg Sprave

当然,上述原理也可以逆向操作,不过结果是完全相反的。如果加热橡皮筋,它就会收缩,冷藏反而变长。

所以有些脑洞大开的人用橡皮筋制作了“自行”车轮。

这个自行车上的辐条全用拉伸的橡皮筋替代了。看,它自己滚起来了——

硬核大叔用橡皮筋做冰箱,撸几下啤酒就凉了

图片来源:Adam Micolich

其实不是啦,橡皮筋被加热器加热后收缩,而没有被加热的橡皮筋还保持原样,这样一来两边一紧一松,张力不平衡了,于是轮轴开始转动。

所以,这到底是什么原理,为什么橡皮筋拉伸时会变热呢?

其实,这个现象是在200年前被一位盲人科学家发现的。

1805年,因为天花而失去视力的英国科学家约翰·高夫(John Gough)很喜欢撸天然橡胶,撸完了还放嘴巴上摩擦,他就是这样发现了橡胶的这种性质。在大约50年后,焦耳对橡皮筋进行了进一步的研究,所以后来这种现象就被称为高夫-焦耳效应(Gough-Joule effect)。

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硬核大叔用橡皮筋做冰箱,撸几下啤酒就凉了

热成像仪下橡胶制作的香肠气球的高夫-焦耳效应:吹大时变热,放气时变冷。图片来源:Chris Cramer

高夫-焦耳效应的原理直到20世纪30年代才被德国化学家赫尔曼·施陶丁格(Herman Staudinger)等人解开。闹太套男孩费曼也曾经被橡胶的这种性质迷住。

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原来,橡胶好好呆着时,里面的长长的和挂面一样的分子互相缠绕在一起,但是它们很安静都不敢动。此时橡胶分子是无定形的。

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自然状态的橡胶分子(左)和拉伸状态的橡胶分子(右)

当橡胶被拉伸时,橡胶分子开始变得有序,开始结晶。从无定形到结晶的过程释放出了能量,这种能量表现为分子的不安躁动。我们在中学就知道,分子越活跃,温度就越高,所以被拉伸的橡皮筋更热。

反过来,橡皮筋从拉伸状态回到自然状态时,橡胶分子经历了从晶体到无定形的转变,这个过程需要从环境吸热,所以回弹的橡皮筋是凉凉的。

后来在2013年发表在 American Journal of Physics 上的一项研究发现,橡皮筋的张力和它的升温相关,扯得越大的皮筋也越热。

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显然,橡皮筋和我们平时说的热胀冷缩是矛盾的。从物理上来讲,热胀冷缩叫做有正的热膨胀系数,而橡皮筋皮筋有个负的热膨胀系数。

除了橡皮筋,许多物质都具有负的热膨胀系数,比如水,还有聚乙烯。水在3.984摄氏度以下就会热缩冷涨,所以水结冰后体积反而增加了。

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聚乙烯因为也有负的热膨胀系数,所以聚乙烯垃圾袋也可以做放在太阳下就会一直转的光转轮——

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所以负的热膨胀系数有什么用呢?

在制作精密仪器的时候,负的热膨胀系数和正热膨胀系数的材料常常被混搭,制造出热膨胀系数为0的混合物,这样就可以冷热不惊了。

你如果填过牙,你的龋齿里填的就是热膨胀系数被精心设计的物质。想象一下,如果填牙的材料会热胀冷缩,或热缩冷涨,那么边喝奶茶边吃火锅就和上刑一样,你估计就只能喝和体温一样的东西,比如新鲜体液了。所以说,填牙的材料的热膨胀系数接近牙釉质,而且不随温度显著变化。

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现在一些科学家开始严肃思考橡皮筋制冷的可行性,因为冰箱制冷液带来的环境问题真的太严重了。这不,最近北极上空也出现了史上最大的由制冷气体导致的臭氧层空洞,面积已经发展到格陵兰岛的3倍大了。

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NASA最近拍摄到的北极上空越来越大的臭氧空洞(蓝色),最近发展到格陵兰岛的3倍大。

2019年10月,天津南开大学的工程学家在 Science 上发表了一项研究,他们发现橡皮筋的制冷效果真的不错,而且用扭的比用拉的制冷效果还好。

他们拿来了橡皮筋、尼龙、聚乙烯鱼线、具有形状记忆的镍钛合金导线这几种具有弹性的材料,然后把它们不断缠绕,形成螺旋套螺旋的超螺旋。

这波操作后,几种不同的纤维中最强的升温了15摄氏度,解开回归原位时也下降了15摄氏度。

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涂有热致变色染料的橡皮筋扭转及放松时随温度的变色。图片来源:(DOI)10.1126/science.aax6182

他们还测试了这几种纤维的制冷效果,结果发现它们的制冷效率和普通冰箱有的一拼。而且把这些纤维扭过以后,制冷效率是不扭只拉的2倍。

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红外热成像仪下解螺旋的橡皮筋的温度变化。图片来源:(DOI)10.1126/science.aax6182

他们还制造了一个和圆珠笔芯那么大的迷你冰箱,用扭过的镍钛合金导线制冷。在几秒内,小冰箱里的水就下降了7.7摄氏度。

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所以担心小姐姐冬天只穿弹力长筒袜会不会冷的男孩应该安心了吧,绷紧的长筒袜比你的秋裤还暖和哦,赶快下单试一试吧。

无标注图片来源网络。

动图来源和参考资料储存于石墨:

https://shimo.im/docs/PcJ3x6DpHWtR6XGw/ 

看完文章你是不是开始找橡皮筋了?

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