開水和冷水倒在地上的聲音為什麼不一樣?

往地上倒開水時聲音比較柔和,常常發出「泡、泡、泡、噗、噗、噗」的聲音,而往地上倒冷水時卻只是平時聽到的那種聲音,這是什麼原因?是因為開水與冷水中的空氣含量不同引起的嗎?還是說能量的原因?


這個問題我做過許多實驗。結論就是,熱水水滴的汽化使水滴震動產生的聲波頻率降低,表現出來就是聲音變得低沉。

當水滴撞擊到物體時,由於震動產生聲波,如果是常溫水,聲波直接從水滴傳出到空氣當中,大量小水滴產生的聲音以中高頻為主,比較清脆。但是如果是接近沸點的水,汽化中的部分也在進行著震動,由於氣化後的原震動體體積比水的體積增大許多倍,頻率變低許多,以至於我們聽到了噗噗的聲音,也就是說,我們聽到的噗噗的聲音是來自汽化後的水蒸氣震動的聲音。這個現象類似於多普勒效應。

Q1:那有可能是粘度變化導致的嗎?

A1:確切的說不是!因為冷水和開水的粘度變化不足以讓兩者震動頻率變化得如此之大。

Q2:有可能是水汽緩衝導致的嗎?

A2:不是!因為緩衝只能降低震動的幅度,也就是降低發出聲音的大小,不能改變震動頻率;而且開水噗噗聲並不小聲,只是變低沉了。

Q3: 有可能是表面張力改變導致的嗎?

A3:不是!理由同上

Q4:我不信,你是瞎蒙的吧?

A4:半夜三更我閑著沒事蒙人有意思嗎!?


這是一個我自己好奇了多年的問題,點進來一看發現最高票是個抖機靈的答案,其他答案也沒有認真地回答問題。我為知乎上這種不分場合抖機靈的風氣感到遺憾。

在 Quora 上找到了一個相同的問題 Why does boiling water sound different from room temperature water when poured on the ground?。Quora 用戶對待這個問題態度與知乎用戶的一比,高下立判。

Quora 排序第一答案中指出液體傾倒在地上的聲音是由液體與空氣混合產生的氣泡受擠壓而破裂時產生的,該答主認為是因為不同溫度的水密度不同,而這種聲音的頻率與液體的密度有關,較高溫度的水密度較低,會產生更高頻率的聲音。但是這似乎與實際情況不符,事實上開水潑到地上的聲音是比較低沉的。

Quora 排序第二的答案認為這與液體的粘度有關,粘度越低的液體越容易飛濺形成更小的液滴和氣泡,更小的液滴和氣泡相互撞擊會產生更高頻率的聲音。沸水與常溫水的黏度的確有顯著的差異,但沸水的黏度是比常溫水小得多,按這位答主的推斷應該沸水產生的聲音更尖銳才對,但是與事實也不符。

看了 Quora 的答案,我也認為沸水與常溫水潑在地上聲音的差異應該是與兩種水粘度不同有關,但是具體原因並不清楚。我曾經搖過與沸水粘度相近的常溫乙醚瓶,印象里聲音與沸水相似;也搖過粘度與常溫水相近但密度大得多的常溫四氯化碳瓶,聲音與常溫水相似。下面是不同溫度的水的粘度表以及常溫下常見液體粘度表,圖片來自網路。


實名反對排名第一的答案 @羅滌塵

(答案在下面)

利益相關:

看到一個錯誤答案被頂了兩千多次實在看不下去的理論物理學習者

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答主的精神值得讚美,知乎確實不需要抖機靈

但是請不要忽略了對照實驗最根本的原則,控制變數

沒錯,乙醚和四氯化碳確實粘度和沸水、冷水相近,

但是它們的密度卻千差萬別!

乙醚:0.718g/cm3

四氯化碳:1.595g/cm3

請問如何確定兩者聲音的差別不是因為密度而是因為粘度?

類似地,如何確定A比B有錢是因為他自己的努力而不是因為A有一個好爸爸?

只有其他條件都相同的時候談論區別才有意義

排名第一的答主,粘貼了來自Quora的回答並反對,

對於Quora答主的以下這個公式

你認為「因為沸水的密度更小,所以代入公式得到沸水聲音頻率更高,與事實相反」

那麼,

再請您注意,這個公式中有三個量,如果只考慮了密度的變化,沒有考慮壓力和氣泡半徑的變化,得到的結論可信嗎?

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為了做一個精心的回答,當然不會只破不立

就從上面的公式說起

為了闡明這個公式,讓我們首先關注聲波產生的原因——氣泡的破裂

1、氣泡是哪裡來的

水分子時刻在運動,所以就會有一些水分子跑出水面,這是我們熟悉的——蒸發

與之類似,水分子在水下同樣在運動,同樣會蒸發,卻不能跑到水面上,於是在水中形成一個個微小的氣泡,這些氣泡產生之後又會被水的壓力壓回液體,這樣的不老實的水分子和水中壓力不停地抗爭,許許多多的氣泡出現又消失,這在物理中被稱為——漲落

(當溫度升高時,水分子活動變劇烈,氣泡便越多越大,但一直受到水壓的限制,當溫度足夠高,水壓再也壓制不住氣泡,大量的氣體一起衝出水面,這種現象稱之為——沸騰)

2、氣泡的破裂產生震動

當然,除了沸騰,還有一種讓氣泡釋放的方式——外力撞擊

這也正是本題中研究的情況

首先我們都知道氣體的聲波波速公式

而對於一個氣泡,它的破裂導致水從四面八方湧入氣泡,產生震動,這些水在圓心處將會撞在一起,重新靜止,

所以叢靜止到另一次靜止,這一震動的波長將正比於氣泡的半徑 r ,所以

由我們熟知的公式

波長是半徑 r, 波速v同樣可以代入,

這樣便得到了公式

3、氣泡半徑隨溫度的變化

在之前已經說過,溫度升高氣泡變大

在任意一本統計物理的教材上可以找到:

液體中氣泡大小的漲落公式為(假設為球形)

在粒子數有偏差(也就是漲落氣泡的大小)時,

其中K為玻爾茲曼常數,而最後一項的偏導數對溫度的變化不敏感

所以近似的,

所以對氣泡內氣體,有克拉伯龍方程

其中V是氣泡體積,N極為我們剛剛求出的粒子數

所以得到結論

從而

而實際上,冷水和沸水密度差異小於5%

而熱力學溫度的差異在

373/273-1=37%

而二者的壓強顯然是一樣的

所以自然有,溫度越高,聲音的頻率越低
兩者的比值大約是

87.5%,正好符合了兩者的頻率差異


這個問題在我很小的時候就被解密了,好像是電視上科普的。

冷水倒在地上是清脆的聲音,嘩嘩的。但是熱水是噗噗噗的聲音。原因就是熱水,特別是開水,會有濃濃的水蒸汽,在倒出來的時候也在不斷汽化,蒸汽把水裹住了,落地時蒸汽墊住了水,所以聲音就會變得低沉。

2016-1-2注:可以看到的濃濃的水汽是液態水,不是水蒸氣,不太準確,不過應該不影響理解吧


看了很多的答案,有說密度的,水汽影響的,粘度的,包括高票的答案,都不對。

主要與水分子的運動速率有關。

根據熱力學知道,溫度不同的水,反映了水分子的平均熱運動速率不同,溫度越高的水,其分子平均運動速度越快,表現的是從整體上看,更顯的雜亂無章。而溫度低的水其振動分布範圍較窄,更易形成共振,更傾向於一致的方式振動,不顯的那麼雜亂無章。

那麼在倒水時候,整體上看,雜亂無章的分子更不容易以一致的方式振動,振動的能量分布比較散,所以倒熱水時候聲音是比較低沉。冷水的分子則會以更一致的方式振動,所發出的聲音在能量上更集中,所以聲音更清脆。

以上。


稍作更新,這是另一種我覺得更為靠譜的猜測。

跟之前的觀點有些許類似,或者說是基於之前的觀點。

本質上來看聲音不同還是能量的釋放的問題,但是水潑到地面上不單單一種能量形式的轉化,初動能+重力勢能+熱能------&>末動能+熱能+聲能

如果簡化考慮,兩種水在同等初始條件下發生相同的潑水過程,可以認為區別只發生在熱能轉化為聲波及熱量傳遞的過程。那麼先前只是單獨考慮了聲波的問題,因為碰撞過程中聽到的聲音大小側面里也反映出這個碰撞過程的溫柔程度(原諒我用溫柔這麼性感的詞兒),因為不溫柔所以能量只能通過聲音釋放出來,(叫出來吧,叫再大聲也不會.....),所以同樣初動能的美系車正常行駛速度去撞日本車的撞擊聲音必然沒有撞自家車來得響亮,因為日本車太溫柔了就像日本女人一樣,他們的理念里叫以柔克剛,依靠車身變形來吸能保護乘員安全。那再回到問題本身,水撞擊地面會不會也是由於熱水跟冷水的溫柔程度不同,那好像熱水應該更狂野一點啊,所以熱水的撞擊聲應該更慘烈點啊,這不就與事先觀測到的結果相悖了嗎?

不著急,我們要看看這個溫柔的本質是什麼,如果說汽車相撞那麼這個溫柔主要體現在動能到形變勢能的轉化,本質上而言就是兩車的骨架剛硬程度,同一款美系車的剛度動剛度近乎一致,可以理解為二者剛度勢差很小很小故而能量的轉移空間相對於跟日本車的勢差要小,所以勢差低能量轉移困難導致能量以聲波的方式釋放的多。

這就是推論的結果!

回到問題上,關鍵的還是熱能的轉移及轉化出去,到這裡我們似乎一直忽略了一個隱藏的邊界條件就是地面的溫度,當然默認看來地面的溫度往往是跟冷水溫度更接近的,當然有條件的可以嘗試來改變地面的溫度進行對比試驗,既然地面與冷水的溫度更接近,那可以將這個差別理解成熱能傳遞的一個勢差,顯然熱水跟地面的勢差相對冷水要大很多,然後套用上面的推論可以很清晰的得出熱水潑在常溫地面的聲音比涼水要低沉些。

僅供參考。

-------------------分割圖-------------------

看了高票答案覺得有些片面。

無可否認黏度會影響聲音的聲響,但還可以更深入一點。如果簡化一下我們聽到的聲音不過是一種能量波,因為高黏度會給能量的釋放在時間以及空間上給以緩衝,就像時間將我們的生活拉得漫長我們很容易忘記初衷一樣,知道為什麼高潮會很爽嘛,就是因為太短了,因為那個能量的釋放時間全人類都只有那麼春宵一刻。。。扯得有點遠啊。

拉回來。。。

水撞擊地面想像成兩種極端,一種是瀕臨氣態的水蒸氣另一種是瀕臨固態的冰塊,試想一下,蒸汽撞擊地面與冰塊撞擊地面哪一個嘎嘣脆,顯而易見。

所以問題出在哪裡?

水從氣態到液態再到固態變化的是分子間距,就是說氣態時分子平均間距是要大於固態的,那麼從氣到固就可以簡化的看成隨溫度升高分子間距在增大,恰是這點區別給撞擊瞬間能量的釋放留以緩衝。

以上。


熱水倒出產生的水蒸氣也會對聲音造成改變,大量氣體包圍下的水落地之後的聲音傳播過程應該也在考慮因素,但非物理專業,沒有具體量化公式,僅僅是定性的討論,意義不大,


這個問題很難嗎?

與水有關的問題,有一半是和表面張力有關。冷水表面張力更大,而沸水更小。水滴碎裂的時候,表面張力導致形變而擠壓空氣。彈性越大聲音越脆。而如果表面張力消失,你連聲音都聽不到。

當然這和被撞擊的表面的聲音也有關。不過,我同樣的表面,被水滴表面張力造成的形變敲擊的頻率也有關。

所以冷水的聲音頻率更高,沸水低。如果猜得不錯,油的聲音也低。

所以和液體的粘度無關。


倒出的熱水與冷水表面氣壓不同,與地面接觸瞬間產生的空氣振動不同,所以聽起來聲音不一樣,這是我一同學說的,我覺得還挺有道理的。


老版本的十萬個為什麼就有答案


抖機靈的太多,從科學層面回答問題的太少。是微博那些段子手們都來混知乎了嗎?


我覺得這個答案可以通過做一個實驗驗證以後就可以更好的得到答案了。答主所說的應該是熱水和冷水都潑到相對來說是冷的地面。

假設水潑到的地上是大理石地磚地面,當然也可以假設是其他材質的地面都可以。

實驗需要提供的條件,一杯熱水,假設熱水的溫度是a℃,一杯冷水,假設冷水的溫度是b℃。

那麼我們還要準備兩塊大理石的地板,分別是地板1和地板2,地板1通過某條件加熱到溫度a℃,地板2也讓其保持溫度b℃。如果可以最好能將地板1置於恆溫的溫度a℃的環境,同理地板2。

然後分別測試熱水和冷水潑到地板上的聲音區別。這樣就能得到比較好的答案了。

一個思路,我覺得聲音的差別應該主要來源於液體汽化帶來的,就像你把一塊燒紅的鐵塊浸入冷水裡所發出的聲音就和熱水倒地上更相似。


聲音的產生是由於振動,頻率是一秒鐘振動的次數,決定音調。振動的幅度決定聲音的響度。開水的聲音低沉也就是說和地面撞擊時高溫水這種物質一秒鐘振動的次數比低溫水振動的次數少,從這方面分析,可能和水的粘度和水蒸汽的緩衝作用都有關。


聲音是由振動產生並有介質傳導。

1.產生:參考樓上答案,黏度不一樣,產生聲音時釋放的能量不一樣,比如:膠水和水從同一高度倒下,想像下~

2.傳遞:熱水水蒸氣密度大,也就是意味著產生的水汽多,量變引起質變,是不是可以相當於另一種聲音傳遞介質?試想下液氮和熱水的聲音相像他們的共同點是什麼?

最後:水蒸氣是氣體,看不到的好嗎?


從水的形態和下降變化出發分析,熱水具有的特徵是什麼?冷水的特徵是什麼? 下降落地過程變化特徵又各是什麼?與地面接觸是的特徵又是什麼?將這些分析完後應該能得出答案,具體分析數據自行百度或其他。


難道不是因為密度?


熱水和冷水倒到杯子里的聲音也是不一樣的,用我僅存的高中屋裡知識解釋的話,就是:熱水的分子無規則運動要比冷水的劇烈,,,,至於後續的,我就不想知道了


分子運動。

很小的時候,喜歡看央視的《三星智力快車》,上面出過這道題。

不好意思,暴露年齡了


經過長期觀察發現,開水在與物體接觸時會產生大量蒸汽,而溫度較低的水沒有發現這種現象,可能是蒸汽的產生改變了聲音。


我覺得是熱水的固有頻率比冷水小。高溫下水分子間的結合力變小了。(氫鍵)


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