通过敲击来挑西瓜可以从物理角度来解释么?

看到史军老师这个回答
http://www.guokr.com/answer/229460/redirect/

里面有振动挑西瓜的一些解释,但是不太详细,如果从物理角度,这样做到底是什么原理呢?

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章鱼喵.时见疏星理论物理专业,西夏文爱好者

2013-06-21 14:00

@eagle774 提到可以用仪器来检测了,这个实际上已经有了 APP 了。)

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西瓜是一种很甜美的食物。当然,做为一个学物理的吃货,我一定不会白白浪费西瓜的。所以,本答案的宗旨是,如何在不破坏西瓜的前提下,了解西瓜的甜美程度。


## 西瓜的生物学基础知识

西瓜是不是好吃,基本上是由含糖量决定的。而溶液的含糖量,这里的糖是指的我们能够吃出甜味的糖,例如葡糖糖,果糖。当然西瓜本身有大量的多糖——纤维素,这是西瓜细胞壁的主要成分,更是西瓜瓜瓤的主要成分。西瓜有大量的瓜瓤,可是我们吃纤维素,那是没什么口味的。幸运的是,西瓜成熟的时候,纤维素被纤维素酶降解了,瓜瓤被破坏,细胞就成了散沙一样。同时,这些被纤维素被降解,有了我们甜甜的葡萄糖。


## 西瓜的物理特性

我们关心的是西瓜的力学性质和声学性质,所以只需要考虑一组量就可以了,那就是弹性模量。
有了弹性模量,我们可以得到几乎所有西瓜本身的力学和声学性质。
所以现阶段想要通过力学和声学鉴定西瓜品质,一定要靠拢到弹性模量上来才靠谱。

而我们之前了解到,西瓜的成熟,西瓜的瓜瓤降解,葡萄糖的含量是相关的:西瓜成熟,意味着瓜瓤降解为葡糖糖。

瓜瓤降解是很关键的一点,因为瓜瓤降解改变了西瓜的结构,这会对西瓜的力学性质造成很大的影响。

当然这是理论上的,而实验上也确实有数据支持这一说法。

我们总结一下西瓜的属性[^1] [^2]。


这些特性导致了相同品种、相同质量的西瓜,共振的频率不同,这样我们可以通过对照基频来挑西瓜,基频越小,西瓜越好。

等一下,西瓜越大,共振频率也越小。所以我们也要考虑西瓜的大小。以什么为标准呢?我们可以从振动方程中得出,西瓜的弹性模量
而我们前面得知不熟和成熟的西瓜之间的的瓜瓤的弹性模量差别很大。并且,弹性模量是更加本质的一个物理量。所以我们就直接用 $f^2 m^{2/3}$ 来作为西瓜的质量标准。(说实话,这里 $f^2 m^{2/3}$ 并不是唯一的选择 [^3] ,或许是一个更好的思路,因为我们并不确定弹性模量是不是最好的标杆,我们只是知道我们所知的物理量里面这个是最优的。)


弹性模量对于西瓜的振动模式的影响也可以直接看西瓜在一个初始的驱动下的振动演化。西瓜被敲击之后,振动发声,而这部分振动发声,会随时间演化,有个振动波形。
有一些论文是以这个为基础的。我们不是要自己想研究,而是要建立一个比较直观的物理感觉。所以直接取几张截图过来,我们感受一下:


这是对于一个正常西瓜的检测。正常意味着没有损坏,没有空心,没有蛀虫。
这样的西瓜的波形是比较漂亮的,对称性比较好。为什么对称性比较好呢,因为西瓜本身的对称性比较好,所以各个振动模式也比较漂亮。

我们比较关心功率谱,因为功率谱决定了我们听到的声音的音色和感受到的频率。功率谱在低频的时候,有几个比较明显的峰值。

这是一个空心西瓜的检测。这个波形好丑陋。对称性不好,因为西瓜本身可能因为空心变得不那么对称。不同振动的模式损失情况也比较特殊,与空心部分的形状大小有关。我们再看功率谱,原来正常的西瓜有一个明显的最高的峰值,现在变得不那么明显了。就是说,原来可能多少有点偏干瘪的音叉的感觉,现在变得是更加有和弦的感觉。

当然不是所有的实验都像这篇文章一样漂亮,有的实验会得到这样的结果 [^5]



虽然看起来乱些,但是实质却是一样的,即,功率谱在低频阶段有几个标志性的峰值。这个文章没有非正常瓜的波形很频率谱对照,稍显可惜。

## 吃货的本质

学物理,难道不是为了吃上更好的西瓜么?

所以,喂,上面那个西瓜,哦不对,上面那个图表,


我们来看看我们人类的听力:


太棒了,上一部分我们看到的西瓜振动的功率谱中,几个比较大的峰值在 20Hz 之上了,所以我们可以分辨这几个峰值。听声辨西瓜,是可能的。

具体有什么规律呢?我们有张图来表示[^4]


(请尽情的吐槽这张图的纵坐标。严格来说,即便我们这里只定性的用这张图,也不行。不过通过其他的文章可以得知,实际上这里的纵轴并不是一些很小的间隔,至少是能分辨的。)

所以,基于那一大串物理原理,我们得出这样的结论:

成熟的西瓜,敲击时的声音会比较沉闷。但是西瓜越大,声音也会越沉闷,所以要把西瓜的大小考虑进来。需要多多练习,才能很好的掌握这种方法。



## 摔了的西瓜不好吃

有时候我买了一个西瓜,是熟的,但是听声音也挺沉闷的,但是,这西瓜摔了,不好吃啊。

所以,我们能够通过声音辨别出西瓜是否摔过么?答案是,我不知道,或许有人能,但是原理上来看,很难。

Armstrong 等人曾经做过实验[^6],其中一个结果如下:

实线是指的一个原始的西瓜的功率谱,虚线是指的西瓜被从 25cm 的高度摔下来 5 次之后的功率谱。差别在于,摔了之后,西瓜的功率谱向低频移动了。这是一个很令人伤心的的结果,因为这样的话,我们就不能仅仅挑同一类西瓜里面的那些频率最低的那些了,因为这样可能会把摔过的西瓜挑出来。

或许,如果有人对某一类型的西瓜非常熟悉,可以准确的知道什么样的声音对应的是生瓜,什么样的对应的是摔过的瓜。这必定基于一些经验,和一幅好耳朵。



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## 参考文献


[^1]: 王书茂, 籍俊杰, 焦群英 西瓜成熟度无损检验的冲击振动方法, 《农业工程学报》,1999, 15(3) 241

[^2]: Koro Kato, Electrical Density Sorting and Estimation of Soluble Solids Content of Watermelon, Journal of Agricultural Engineering Research, Volume 67, Issue 2, June 1997, Pages 161-170, ISSN 0021-8634.

[^3]: Abbott, J.A., Affeldt, H.A., and Liljedahl. 1992. Firmness measurement of stored ‘delicious’ apples by sensory method, Magness-Taylor, and sonic propagation. Journal of the American Society for Horticultural Science 117:590.

[^4]: Kouno, Y., Mizuno, T., Maeda, H. & Akinaga, T. Internal quality analysis of watermelons by an acoustic technique and its application in Japan. ACIAR PROCEEDINGS (1993) P392.

[^5]: M. L. Stone, P. R. Armstrong, X. Zhang, G. H. Brusewitz, D. D. Chen, Watermelon maturity determination in the field using acoustic impulse impedance techniques. American Society of Agriculture Engineering, 1996, 39(6) 2325.

[^6]: Armstrong, P. R., Stone, M. L. & Brusewitz, G. H. Nondestructive acoustic and compression measurements of watermelon for internal damage detection.Applied engineering in agriculture, 1997, 13, 641–645.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021863497901608


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原文(自己的文章)在这里:如何挑西瓜:一个学物理的吃货的感言

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我喜欢挑水分充足的瓜,沙瓤的或者太熟的瓜不喜欢!
我觉得挑瓜的时候主要是3个感觉:

1、震动良好,声音清脆:这样的瓜水分充足,很少有空心,俗话说就是长开了,也比较甜(我喜欢
2、震动不好,声音发闷:多半是空心瓜,或者沙瓤,有点熟大劲儿了(有人喜欢)
3、震动短促,声音发硬:这样的多半是有点生的瓜,不太熟(应该很少人爱

其实西瓜的种类很多,不同种类的西瓜挑选的方法都不同。例如北方就有一些椭圆型西瓜专门选沙瓤的好吃,还有一些圆形花皮地雷瓜皮很薄,很少有沙瓤的,这两种瓜挑选的时候策略就完全不同,前者一定要找个震动不好的,拍上去啪啪的没啥震动,手上的力道如泥牛入海~~~后者就要选个清脆的,拍上去嗡的一下,托着瓜的手都能很好的感觉到震动,像是件乐器一样...

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前几天去买西瓜,卖瓜的小伙子一手托瓜,一手轻拍西瓜,一脸认真地跟我说:中国好声音,正宗好西瓜……

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偶家种过几年瓜,摘瓜卖需要挑熟的摘。挑了几年,唯一学会靠谱的办法是用手掌感觉,不听声音,因为靠声音会很难分辨;而且不同品种,瓜皮厚度不同,声音相差极大。

具体方法很简单,一只手把西瓜托到掌上,另一只手轻轻碰触西瓜最上方部位——注意是碰触,不是敲,更不是拍。不要弄出声音才对。

具体力度,自己找几个熟瓜多实验几下,记下刚刚能感觉到震那个力度,不要敲太重——太重了,石头都能震,何况是个瓜。


如果瓜不熟,那么下面那只手就没有什么感觉;而如果熟了,下面那只手就会感觉西瓜在微微震动。震动越厉害,就说明熟的程度越高——太震的话就叫“熟过了”,瓜就会很难吃。

——不知道啥叫“太震”的话,可以多拿几个对比着感觉一下。

一般来说,生熟之间需要的力度差别非常大;刚熟和过熟差别相对较小。所以这办法辨别生熟非常可靠,一般人很快就能掌握;但要辨别是否过熟,虽然也不难,但就需要一定的经验了。


这个方法只能辨别生熟,熟练了也能辨别是否过熟,但不能辨别好不好吃。
好吃与否,主要还是看瓜的品种、产地。


此外,观察瓜蒂,据我所知靠谱的就一个指标: 看瓜蒂是否已经干了。

如果瓜蒂未干、或者哪怕表皮干了但里面尚未变干,还有绿色组织残留,这种瓜就是正常的。

但如果瓜蒂已经干了,那么就说明这瓜摘下来前,瓜秧已经死了;或者是生的时候就摘下来,是硬放熟的。
这种瓜叫死秧瓜,口感极肉,味道更糟糕,不会有什么甜味。


至于其它各种奇妙的判断方法,可能是偶比较鲁钝没掌握要领,在自家瓜地实验,没发现靠谱的。

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支持者: 水云知君 脑阿残

怎么好几个人说熟瓜音闷呢?难道汉字里闷的意思大家各自理解不同?

俺挑西瓜,成功率接近100%。俺的经验是,西瓜的声音要【空】,而不是闷。

俺一直想做一个西瓜超声波探测仪。现在手机发达了,估计好做了。具体就是用一个超声波发生器贴到西瓜上,用手机话筒接收西瓜传过来的声音,然后用软件做频谱分析。也许用普通声波而不是超声波也可以。

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支持者: shirley068

为啥选西瓜一定要听呢???
我选西瓜是靠看的....
要点有三:
一看瓜藤
瓜藤没枯萎的是新鲜的瓜
二看瓜脐
内凹的是好瓜
三看瓜皮
无软毛花纹散的是好瓜
以上谁能给解释一二............

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绯色月下太极图独立游戏制作人、科幻小说作者、业余风水师

2013-06-21 13:53

单就拍西瓜一件事情的角度来说,由于不同成熟程度的西瓜内部纤维密度不同:较生的西瓜比较“硬”,纤维丰富;而较熟的西瓜比较“沙”,纤维大多已经断裂。由此,在西瓜大小相近的情况下,内部结构和密度的不同会使各自的共振频率不同。敲击西瓜的时候所听到的“咚咚”声实际上就是西瓜的共振频率。

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这可能和西瓜含水量有关,听声辩瓜是由于果肉含水量。

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总感觉很不直观啊,声音的确可以判断,但要练习才行
我一直用的一个屡试不爽的方法,是用手指甲摁瓜皮
如果摁很用力,都不破,就是生瓜
如果摁了就凹下去,但没破,就是熟过分了
如果摁了,有一种脆感,啵的一下就破了,就是好瓜

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裤叔Kuso材料学工程师

2013-06-21 18:49
支持者: 脑阿残 水盐

摔过的瓜为啥不好吃?

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支持者: 天然呆皮卡丘

呐,诊断不是还有直接叩诊法吧。。。

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楼主考虑的因素还是太少,而且甜度是绝对拍不出来的。
从社会学上说:如果靠拍击能鉴别出来西瓜的好坏,因为这是一个普遍性的需要和行为,早就总结出完整的判断以方法了。因为品种、含水量、生熟程度、营养素等不同而表现出的体积大小、瓜皮厚度、密度、瓜瓤密度、纤维强度等不同,拍瓜只能在某一品种或某一块地等上显示出同一性,是一个单群的特征。不具备普遍意义。
楼主仅拿科学检测设备,而对象的同一性没有界定,得出的结论只能是小部分的特征。仅靠声波来判断味觉的东西只能是开玩笑。

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卡内其古哈好奇大叔,好吧,已经大叔了T.T

2015-06-09 16:37

我都敲着玩的,虽然小时候家里也种西瓜,但是完全不记得啥声音是灵的了,事实上也根本分不出啊。

我都靠看花纹和颜色,还有底下的黄斑,选那种看上去健康茁壮的,(其实就是看的顺眼的),然后小时候的经验是西瓜贴地的那块会形成黄斑,那黄色越深,瓜就越甜,但是也不绝对就是,而且,现在不知道他们怎么种瓜的,很少能看到底斑很黄很大面积的了。

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平时都是听说罢了,没想到还有这么科学的说法!吃的开心就好!

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初中时买西瓜,瓜农在旁边放了一桶水,清洗西瓜用,我看他洗了几个切开以后,发现好瓜密度会相对小点,放桶里会浮得高些。于是,之后几次买瓜后回家测试,屡试不爽。

结果现在卖瓜的地方都没有水桶了,此技能就被搁置。

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其实,我想说, 挑西瓜只需三步!!!!

第一,去新疆

第二,找到西瓜摊

第三,随便挑!!!!!!

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真的就太好了,晚上试试

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Matirx轮机工程本科在读

2013-06-21 20:11

有经验的买家通常是通过不同西瓜的音色与音调来判断西瓜的好坏与否

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solarity13珠宝首饰工艺 心理学爱好者 绘画

2013-06-21 22:10

原来西瓜也能挑的那么学术……

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Hyderay努力学习成为未来孩子问不倒的爸爸

2013-06-22 11:12

别的瓜不敢说,上海的8424一只手托住,另一只手五指张开轻轻一拍,声音清脆震感明显的,必然是好瓜

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这些丧心病狂的吃货,拍西瓜的时候,是用手指从西瓜振动频率可以判断西瓜皮的厚薄和生熟程度

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買瓜要聽聲......那聽障人士不就一輩子吃不上好西瓜??

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摔过的瓜就别听了。。。十有八九看皮能看出来

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我觉得可以根据这些个曲线,开发一个手机APP。然后用耳机来输入,判断瓜的生熟。你们觉得下载的人会多吗?

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enemyDr.社会人类学

2013-06-24 16:56

拥有绝对音准的耳朵,是不是就能挑(听)出好西瓜?

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这实验没有检测过于熟的西瓜,那个同样不好吃,因为里面熟了差不多都发酵了,声音会更沉闷。所以听声音挑西瓜的时候,过于沉闷以及过于清脆的声音都表示那不是个好瓜。作者还需要拓展更大的实验对象。

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吃货大福,话说挑西瓜有必要如此科学嘛~~

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猫加肥酱油法律工作者

2014-07-09 10:35

发现果壳现在老是拿我们大喵星人的倩照当诱饵,骗那些无知的蓝星猫奴进来瞻仰,太不厚道了。

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每个人的口味不同,那个理论也不能保证选出来的西瓜一定“好吃”,好吃又没有标准,我就爱吃不甜的你也没办法,籽少的才是好西瓜

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大爷我就切开买,不好不买了~~~

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超市里有大妈使用“牙签大法”来检测西瓜和其他水果的甜美程度,具体做法是:用随身携带的牙签刺入瓜果内部然后拔出,品尝牙签尖端,如此重复。

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对于瓜农来说,拍瓜来判断生熟很准的,生瓜声音清脆,熟瓜声音闷。

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有些瓜农给西瓜里面打糖水,就为了增加甜度,这种的听声能辩出来吗?好像很难吧.....

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雪蓝岛光通信工程师

2014-07-09 10:21

何必那么复杂!!!
“老板,帮我挑一个甜的,先切开一点来尝尝,不甜我不要哦"

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一楼太专业了,是哪个农业大学毕业的,连数学模型都弄了出来,我只想问一点,楼主得多选几个样本测试啊,再做个方差分析,那几个数据该保留再做分析,分析的太 透彻了。
##目前西瓜打的激素和农药过多,打的激素不外乎IAA、GA等,促进发芽结果,从小到大都在打。
使用化肥量巨大,完全是化肥+农药泡出来的
夏季还是少吃,特别是小孩,这个IAA和GA都是工业用的,你说人吃了会出什么问题呢?哎,少吃,少吃,安全第一

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Koalaking车辆工程本科生

2013-06-21 21:28

买个好西瓜真难。。。

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这里得西瓜好难吃 我在深圳···········

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