握裝熱水的杯子,等手適應了溫度後不會感覺燙,此時轉動一下杯子為什麼會感覺杯子很燙?


03.28.2015 Update
物理角度的解釋請參考樊玉嶠學姐的解釋,

03.21.2015 Update
本文僅從生理學角度試圖解決問題。熱傳導導致的降溫應該也是原因之一,期待相關人士解答。
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因為手上的溫度感受器是」時相性感受器「,主要感受的就是變化。

人體內感受器主要有三種,緊張性感受器 (Slow adapting receptors, 也稱作tonic receptors) 和 時相性感受器 (Rapidly adapting receptors, 也稱作phasic receptors),也有混合類 (Phasic-tonic receptor)

如圖,左側為緊張性感受器,右側為時相性感受器。 粉色線是刺激強度,綠色線是感受器的反應。

同樣的刺激,兩種感受器的反應,截然不同。緊張性感受器在刺激存在的時候,會一直做出反應(向下傳遞信息)。而時相性感受器,在刺激開始時做出反應,而後迅速適應,在刺激結束適應的時候也會做出反應。


回到問題
在手握熱水的時候,溫度感受器會相對快速的適應這個」相同刺激「,但是稍稍轉下杯子,會一定程度上改變刺激,重新激活了這個溫度感受器。

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除了溫度感受器還有什麼感受器是時相性的呢?
舉個小例子

盯著中間的圓心,聚精會神的盯。20秒之後,就會發現粉色的小圓不見了。沒錯,視覺感受器也會快速適應相同的刺激。很多視覺感受器都是時相性或者混合型。(這也就是為什麼想吸引人注意力要舉手打招呼---給予新的刺激,激活感受器) 可能有人會有問題,為什麼我們看到的世界沒有突然消失什麼東西呢, 因為眼睛會不停的進行微小的轉動,時刻刷新刺激,以免錯過重要信息。

可能又會有知友好奇了,什麼感受器是緊張性,不能快速適應呢? 最常見的例子是痛覺感受器 。疼痛雖然難捱,但是一定程度上減少了傷口再被觸動的可能,加快了癒合速度。緊張性的疼痛感受器,在」危害「一直存在的時候,會一直傳送信息,直到脫離危險為止。 (更多關於疼痛的生理知識請見 痛了之後揉一揉會不會減弱痛的感覺? - Jack Wang 的回答)

時相性感受器有什麼優勢呢?它極大地提高了」交流的效率「。舉個不太恰當的例子---天氣預報。對一個相同的信息(多倫多3.1-3.31都是零度以下),」時相性「播報員會說多倫多這一個月都是零度以下,而」緊張性「播報員則會這麼說,3.1號,加拿大多倫多,零度以下,3.2,加拿大多倫多,零度以下..........3.31 加拿大多倫多,零度以下....

時相性感受器和緊張性感受器一起工作,為我們描繪了這個大千世界。給他們點個贊。


從傳熱學的角度解答一下這個問題。-update2015.3.27晚9:30

感謝知友@林某某 @范羅本 @東嶽流體
的提醒,現補充一部分內容,讓答案更完整合理。

此問題涉及的不僅是溫度,還有傳熱學的另一個基本概念:熱流密度,英文簡寫q。大家普遍認為人體感知的是溫度,但是根據我在香港科技大學課題組所學,人體感知的是熱流密度。

接下來通俗地講一下熱流密度q,科普後再解釋手握熱水杯的問題就會很清晰。學過傳熱的孩紙請自動跳過科普段落。

傳熱學和電學有互通之處。熱流密度q和電流I是可以類比的,而溫度差T可類比為電壓U(電壓稍專業點叫電勢差)。大夥都知道電流I=電壓U/電阻R,因此在純導熱的情況下,注意,僅僅導熱(煎蛋時鍋的熱量傳給蛋),熱流密度q=溫度差T/熱阻r。(ps,這並不是準確的熱流密度的定義式,只是為了通俗地講解熱流密度這個概念)類比地看,電阻R大則電流I小、不易導電;熱阻r大則熱流密度q小、不易導熱。

生活中熱阻r最大的東西是真空,所以保溫杯和開水壺的內膽和杯/壺身之間會抽真空。空氣的r小於真空,但是也灰常大,所以買羽絨服時售貨員會提示顧客羽絨服要懸掛在衣櫃里並且不要摺疊壓扁它,因為保持羽絨服的蓬鬆才能做到羽絨間有足夠的空氣。空氣多則羽絨服熱阻r大,則q小,因此哪怕零下幾度時穿著羽絨服,也能保證36.5度的體溫。

另外,溫度差T=0時,q=0,這種狀態稱之為「熱平衡」,就是兩個物體(或一個物體的兩個部分)溫度相同,則「感受不到」導熱了。

傳熱學的三大領域中,除了導熱,還有對流換熱。對流換熱是包含導熱的。打個比方,冬天,站在野地里,「好冷!」(身體的熱向環境「導」出),一陣風吹過來(空氣對流),「冷死老子了!」(熱量不僅被導出,更被風「換」走了)。這個過程中無論有沒有風,人都在散熱;一旦有風,有對流,散熱會散地更厲害,所以更冷。假設沒有風時的熱流密度是q1,有風時是q2,q2&>q1,熱流密度越大,換熱越強,人體的感知就越明顯。

普遍而言,對流換熱的傳熱效果遠強於導熱。因此,U盤在電腦上用久了介面變燙,拔下來降溫的最好方式,不是用手捏著它或者放著等它變涼(導熱),而是猛甩幾下U盤(對流換熱,甩大力一點的話U盤介面立馬就變涼了)。

科普結束,開始解釋問題。把握一個核心:人體感知的不是溫度,而是熱流密度q。另外,空氣的導熱能力很差。

1. 握裝熱水的杯子:(機理)導熱過程。

手和杯子的溫度差T很大,熱流密度q很大。人的感知:燙!

2. 手適應了溫度:(機理)導熱過程進行到熱平衡狀態。

溫度差T=0,熱流密度q=0。人的感知:不燙了耶~

3.轉動一下杯子:(機理1)對流換熱

(因為杯子里的水在轉動杯子時流動了!就和空氣流動會形成風的過程一樣)。對流換熱傳熱效果遠強於導熱,q增大。人的感知:又燙啦!

(機理2)空氣的導熱能力很差。

杯子被手握住的部分(假設是杯壁A)向外傳熱的熱阻主要是「手」,熱阻小,易於導熱,溫度低。而沒有被手握住的部分(假設是杯壁B)向外傳熱的熱阻是空氣,空氣的熱阻大,導熱能力差,則B的溫度會高於A。所以不僅是轉動一下杯子會覺得燙,哪怕不轉動杯子,把手立刻換到B也會覺得燙。

PS如果兩隻手分別握住杯子的A面和B面,習慣了後交換,就會發現換了後也不燙啦。

解答完畢。

知乎首答,啰嗦了一堆又update了一堆。評論里第一條是知友@袁霖 說我的解答「棒呆通俗逗比」。So謝謝你!希望今後我對其它問題的回答都是棒呆通俗逗比的^0^


當你的手能適應被子溫度的時候,說明握住部分的溫度已經降低到你的手能接受的程度了(熱傳導),沒有被握住的部分的熱傳導速度沒有握住部分的傳導速度快,所以溫度還是比較高的。


如同泡腳時,忍燙下腳卻不能動。

原理等待大神解說,個人猜測是神經末梢傳遞產生變化的結果。


從生理感知角度解釋這個問題純粹是知乎式裝B。
唯一的原因是杯子里的水溫在靜止狀態下不均勻度比較大,靠近手握部分的水溫會較低而轉動會使你接觸到更高溫的水,即使這個溫差只有不到1度也是可以被皮膚感知的。
假如你握著杯子的同時一直不斷的攪動杯子的水,題目說的現象就會消失因為溫差不再存在。


轉的太用力,摩擦起熱


我認為是因為手接觸的地方溫度降低了。泡腳時試過,類似的,腳靜止一會感覺沒那麼熱了,因為腳吸收了附近水的熱量,熱量由血液帶走了。但腳一動會感覺水突然熱了,因為腳一動就引起了水流動,附近較熱的水麻煩接觸到腳。但腳不動讓水動會有什麼感覺呢?讓別人去攪動一下水,腳也會有一樣的感覺。
這個感受器,哪個感受器的,又上圖,又上表的答案怎麼感覺那麼的不明覺厲呢?!


難道不是握力鬆緊導致接觸深度廣度產生變化嗎?


試下用大拇指貼在杯子上, 其餘部位不接觸杯子 ,等覺得不燙了就移開大拇指 用同樣的部位貼住杯子另外的地方 ,可以發現還是覺得不燙。說明轉動杯子後手上之前未接觸杯子的那一部分皮膚接觸到杯子了,燙的感覺從那一部分皮膚傳遞到大腦,所以會覺得燙。


難道握著時局部溫度不會降低?


流動是真相。
在桑拿房,溫度高,但是可以忍受。如果一旦有人朝你吹口大氣,引起周圍空氣流動,你就慘了。。。


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