青少年科学周报
2022/8/19-8/25
亲子科学圆桌会，每周五20点不见不散！
思考题答案请见文末，也欢迎给我们私信您的看法~
1
数学帮你更好地烤肉饼
最近，美国威斯康星大学麦迪逊分校的数学家Jean-Luc Thiffeault用一个基于热方程的数学模型证明：在烤肉的过程中，多次翻转肉饼可以达到类似同时双面烤制的效果，最佳策略下能节省29%的烹饪时间。另外翻转肉饼的时机也有秘诀：前几次翻转间隔时间要大概一致，但最后一次要等久一点再翻面。他设定对一个厚度为1厘米，面积无限大的肉饼进行200⁰C烤制，根据热方程理论模拟了肉饼只翻动一次和多次翻动情境下的烤制时间，以及不同的翻转次数和翻转的间隔时间，同时用数学软件MATLAB对模拟过程进行了优化。结果显示，最优翻转次数是20次，之后无论次数再怎么增加，最多也只能节省29%的烤制时间。前面若干次的翻转间隔时间应该大致相同，而最后一次翻转时间隔时间可以长一点，这样更有利于热量在肉饼中扩散。
○思考题｜热方程是什么？
2
NASA发布来自黑洞的声音
日前，NASA发布了来自钱德拉X射线天文台的音频片段，这段音频是根据2亿光年外英仙座黑洞的压力波合成制作而成的（并非黑洞自己发出的声音）。星系中存在大量气体，黑洞发出的压力波能在星团的超热气体中引起涟漪，因此NASA提取到了英仙座星系团中黑洞释放的压力波。这个波动的音节比通常的C4音程低57个八度音阶，我们的耳朵本来是没办法听到的，不过天文学家们通过倍频技术，将黑洞压力波的波动频率转化成了人耳能听到的声音。他们将X射线数据作为最高音调、光学数据作为中音调、无线电波作为最低音调，3种声音混合在一起，从而制作出了这份黑洞的音频数据。
○思考题｜宇宙中的声音可以通过什么传播？
3
风力发电机叶片
可回收做成小熊软糖？
Credit:John Dorgan
清洁、可持续的风力发电越来越受欢迎，但巨大的涡轮叶片由难以降解的玻璃纤维制成，“退役”后如何处置是一个大难题。现在，美国密歇根州立大学团队开发出一种新的涡轮叶片材料，“退役”回收后可以制成新的涡轮叶片或者其他产品，包括台面、汽车尾灯、尿布甚至小熊软糖（见上图，最后被研究者吃掉了）。研究人员通过将玻璃纤维与植物衍生聚合物和合成聚合物相结合，制造出了这种新的复合树脂材料。它坚固耐用，可以用于制造涡轮叶片或汽车外壳。跟不同的矿物质混合后，还能用来制造家居用品，比如台面和水槽。至于回收再利用，更是方便，只需要溶解和过滤，就可以轻松地去除混合物中的玻璃纤维，用来制造窗户、汽车尾灯、尿布等等。碱性溶液消解树脂后还可产生乳酸钾，提炼后能制成糖果和运动饮料，研究人员就成功回收了食品级乳酸钾，制作成了小熊软糖。
○思考题｜传统的风力发电机叶片材料为什么很难回收？
4
3D打印帮助视障科学家“看”数据
一位视障人士想要成为科学家，有多难？如果要阅读科学期刊的论文，他们可以依靠文本阅读器将文中的句子大声朗读出来，但是论文中的图表和数据却不能用盲文、转语音等方式进行“阅读”。贝勒大学的生物化学家Bryan Shaw为了帮助自己先天双眼患有肿瘤的儿子“看到”科学的样子，带领团队与四位视障学者合作，开发出了一种让盲人“阅读”图像的简单方法：3D打印出一片薄薄的塑料板，以凸点和其他表面特征的形式显示视觉数据（上图）。视障科学家可以用手指划过塑料板的表面，感知图表的特征，比如数据点、轴和曲线等。对于蛋白质染色或核酸电泳图来说，这种薄板可以用变化的凸起来表现染色强度。3D打印机现在已经比较普及，并且打印只需要几分钟，因此使用起来也比较方便。这种方式可以打印出凝胶电泳图、显微图、电子和质谱、教科书插图等图像，让科学真正无障碍。
○思考题｜除了3D打印，还有没有别的方法可以制作可触摸的科学数据图像？
5
史前巨鲨有多强？
大约在35万年前灭绝的巨齿鲨（Otodus megalodon），牙齿长度跟人的手掌差不多，可能是地球上曾存在过的最大的食肉动物之一。最近，一个国际研究团队借助一条巨齿鲨的脊椎骨化石进行3D建模，认为巨齿鲨完全可以吃掉今天顶级海洋掠食者——虎鲸大小的猎物，并且之后两个月不用再进食就可以横渡数千英里的海洋。科学家们扫描了141块巨齿鲨脊椎化石，并结合另一条巨鲨鱼牙齿化石扫描图，建立起这只巨齿鲨的3D模型。模型显示，它体长16米，是今天大白鲨的3倍；嘴张开时或许可以达到1.8米的幅度，足以站立一个成年人。它每天需要摄入高达98000多千卡的热量，可以通过食用富含卡路里的鲸鱼脂肪来满足。面对一条8米长、虎鲸大小的鲸鱼，它可能5口就可以吞得一干二净。它的巡航速度可以达到每小时5公里，而大白鲨只有每小时3公里。科学家相信，巨齿鲨是一种跨越大洋的“超级顶级掠食者”，它的灭绝可能对全球营养物质运输产生了重大影响，也让全世界的大型鲸类动物摆脱了被猎杀的梦魇。
○思考题｜为什么目前几乎没有巨齿鲨完整的化石记录？
本期思考题答案
01
热方程是什么？
（点击空白处上下滑动查看答案）
热方程是数学物理学的基本方程之一，19世纪由约瑟夫·傅立叶提出，主要作用是模拟热定在给定区域的扩散过程。