我们为什么经常会忍不住地打哈欠? | No.478

你有没有过这样的经历？

明明没那么困，却忍不住打了个大大的哈欠

身边人打哈欠，自己也莫名其妙跟着打了一个

那我们为什么会忍不住地打哈欠呢？

问答导航 Q1 为什么只有吸附铁的磁铁，而没见吸铜石、吸铝石？ Q2 我们为什么会打哈欠，打哈欠是缺觉的反应吗？ Q3 那种类似扫脸或刷卡的门闸怎么运行的，我是不是走慢点就会被夹？ Q4 干冰遇水会升生成水雾，为什么水雾与杯壁间及手与水雾间有透明区域？若这水雾是二氧化碳与水珠混合物，水珠为什么会随二氧化碳一起运动？ Q5 火焰的内焰和外焰亮度哪个高？我观察火焰发现中间比较亮，但最边缘颜色较浅，会不会是火焰厚度叠加导致的？ Q6 锡纸为什么能隔热？ Q7 明明空间站的速度大约是子弹的7倍那货运飞船是怎么对接上的？ Q8 在使用红外遥控器遥控设备时，为什么即使不将遥控器的发射口对准接收口，设备也能准确地接收到信号？ Q9 纯牛奶没有防腐剂为什么保质期那么久？

by 寢台特急

答：

因为铁、钴、镍等材料具有特殊的内部原子结构，能够被磁铁强烈吸引（我们称之为“铁磁性”），而铜、铝等其他金属不具备这种结构，所以没有“吸铜石”或“吸铝石”。

物质的磁性从根本上来说，源于原子内部电子的运动。电子不仅绕原子核做轨道运动，自身还存在自旋运动。这两种运动都会产生磁矩（可以看作是物质内部存在很多很多“原子小磁铁”），众多原子磁矩的综合表现决定了物质宏观的磁性特征。当物质中原子磁矩的取向杂乱无章时，它们相互抵消，物质整体不显示磁性；若在外界磁场作用下，原子磁矩能够有序排列，物质就会表现出磁性。根据物质在外磁场中的不同表现，可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性等。其中，铁磁性物质能够产生自发磁化。在铁磁性材料内部，存在许多叫做“磁畴”的小区域。在每个磁畴内，数以亿计的“原子小磁铁”方向高度一致，排列整齐，从而产生一个很强的合磁场。这也是常见磁铁能够吸附铁这类铁磁性物质的原因所在。

以题中出现元素来举例，铁原子的电子排布为 。其3d轨道上有6个电子，未成对电子数较多。未成对电子的自旋磁矩在一定条件下可以相互平行排列，从而产生较大的净磁矩，使铁表现出很强的磁性，能够被磁铁吸引。而铜原子的电子排布为 ， 其3d轨道已填满电子，电子自旋磁矩相互抵消，几乎没有净磁矩。虽然4s轨道有一个未成对电子，但相比铁，其产生的磁效应非常微弱，表现为抗磁性；铝原子的电子排布为 ，3p轨道只有一个未成对电子，且铝原子的电子云分布以及原子间的相互作用，使得其产生的磁矩也极其微弱，表现为顺磁性。 所以说，只有像铁这样具有“铁磁性”的材料，其内部结构才能支持产生足够强的吸引力，使得“吸XX石”（也就是磁铁）成为可能。铜和铝的物理性质决定了它们无法与磁场产生同样强烈的相互作用，因此自然界的“磁铁”只“偏爱”铁及其同类。

参考文献：

1. [1] Sugimoto S. History and future of soft and hard magnetic materials[M]//Magnetic material for motor drive systems: fusion technology of electromagnetic fields. Singapore: Springer Singapore, 2019: 261-277.

2. 田民波. 磁性材料[M]. 清华大学出版社有限公司, 2001.

by 4925

Q.E.D.

Q2 我们为什么会打哈欠，打哈欠是缺觉的反映吗？

by PEK大米

答：

打哈欠是我们人类从出生到死亡都会进行的动作，像是一种条件反射伴随着我们的一生。打哈欠远比我们想象的要复杂，是一种自发的、复杂的生理反应，涉及大脑神经系统、呼吸系统和身体状态的互动。打哈欠确实是缺觉最常见的反映之一，但绝不仅仅是如此。目前对于人们打哈欠的原因并没有一种统一的说法，以下是我调研的几种主流说法。

缺氧理论：关于打哈欠的原因，传统的说法认为是缺氧，在经过长时间的工作学习后，正常呼吸无法及时排出人体产生的大量二氧化碳，过多的二氧化碳积在体内，就会引起胸腔沉闷，身体各器官有疲劳感，此时人体就会自发的打哈欠以排除二氧化碳，吸入更多的空气。

警醒作用：当我们面临缺觉、连续长时间工作时，大脑受到疲劳或睡意等感觉的刺激，激发相关神经递质大量分泌，进而引发身体会自发发哈气，来提醒我们需要休息了。这也是答题者所反映的缺觉引发打哈欠的情况。

降温理论：有些科学家研究表明，打哈欠是为了给大脑降温，进而保持大脑的健康和清醒。当大脑疲劳时，温度会升高，而打哈欠时下巴向下伸展至其最低位置，从而增加了该区域的血液流动，且吸入的冷空气会迅速降低面部血液的温度，进而冷却大脑。

其他说法：对于打哈气，还有人认为是人类进化所遗留的动作，比如许多灵长类通过张大嘴露出牙齿（如同人类打哈气）来发出警告，而人类在进化过程中保留了这一行为；还有人赞同厌倦理论，即当人对某事物产生厌倦无聊的情感时，大脑神经系统就会控制人体打哈欠；也有人认为打哈气与人类的情感系统有关，是人类的共情能力的反应，例如打哈气会“传染”，当身边人打哈气时，你也会不由自主的打起哈气。

关于打哈欠原因的说法有许多，至今并未有一个统一的科学解释，但可以肯定的是，打哈欠是一种人体本能反应，对我们人体起了极大的保护与调节作用。

参考文献：

1. Baenninger, R. (1997). On yawning and its functions. Psychonomic Bulletin & Review, 4(2), 198-207.

by 凉渐

Q.E.D.

Q3 那种类似扫脸或刷卡的门闸怎么运行的，我是不是走慢点就会被夹？

by 云里物理

答：

在设备正常且你通过的方式正常的情况下并不会。

我们先来了解一下这种门闸（一般称作通道闸机）是怎么运行的。它的工作流程一般分为四步：第一步就是你的问题中所描述的扫脸、刷卡等方式，这一步被称作“身份验证”，依次来判断是否应该放行。当判断为可以放行后，控制器就收到信号，从而驱动电机让门张开。如果是刷卡的方式的话常见的是被动或半被动的射频识别（RFID）或近场通讯（NFC）设备。读卡器发射射频场，卡片被感应供电并在载波上以特定协议返回数据，其协议和物理参数通常由 ISO/IEC 14443 等标准定义。卡里存储唯一标识符（UID）或密钥/证书/数据结构；读卡器读出后把 ID 传给门禁控制器，控制器依据数据库决定放行与否。更安全的卡会用挑战-响应/密钥验证或加密通道来防止简单的克隆/重放。如果是人脸识别的话，总体的流程就是摄像头捕获视频帧然后系统使用人脸检测算法定位人脸；对齐（通常以眼睛/鼻/嘴基准）后输入识别模型提取面部特征；最后把提取到的特征与数据库里的模板比相似度，超过阈值即验证通过。但是如果单纯匹配特征的话，那么门禁就有可能被照片/视频/面具等手段欺骗，因此商业系统加入活体检测，比方说会让你眨眨眼扭扭头或者用红外反应监测之类的来尽可能降低这种风险。

接下来是防夹的关键部分——闸机的机身内布有红外对射传感器，当人进入检测区时，系统就判断“有人在通过”，使得门保持打开状态。当人走过之后，检测区空了，系统就会延时一小会之后自动关门，进入下一个工作周期。

甚至有些闸机设定了“遇阻反弹”功能，万一关门的时候碰到人了还会立刻反向打开，这就进一步增加了安全性。

不过以上的讨论都是基于设备正常而且你没有多余的奇怪操作的前提，如果传感器或者控制器出现了故障，就有可能出现误判闸机内无人导致关门或者即便判断有人依然关门的情况，不过现在用的闸机一般会检测阻力所以不会夹得很疼；可是万一遇到了老式闸机那就有可能夹得很疼了。而且通过的时候正常穿过闸机就好，不要反复横跳或者使用其它的“假动作”试图考验闸机——否则你就可能体会到“多么痛的领悟”。

参考文献：

1. Yun, Jaeseok & Lee, Sang-Shin. (2014). Human Movement Detection and Idengification Using Pyroelectric Infrared Sensors.

2. Paul Viola et al, Rapid Object Detection using a Boosted Cascade of Simple Features.

3. Sharma D, Selwal A. A survey on face presentation attack detection mechanisms: hitherto and future perspectives.

by ArtistET

Q.E.D.

Q4 干冰遇水会升生成水雾，为什么水雾与杯壁间及手与水雾间有透明区域？若这水雾是二氧化碳与水珠混合物，水珠为什么会随二氧化碳一起运动？

by 匿名

答：

水雾和杯壁/手之间有透明区域的原因是：手和杯壁都相对水雾更热，靠近它们的地方水雾中的小水滴受热蒸发，自然也就形成了一个透明的区域。手更热这点很容易理解，人类这个恒温动物作为热源还是合格的，问题在于为什么杯壁也相对水雾更热呢？最大的可能性是干冰在放进去的时候没有接触到杯壁，使得杯壁是从室温开始逐渐冷却，并且现在9月份的室温并不算低，自然能有足够的温度加热小水珠了。

第二个问题，水雾为什么能够和混合气一起“倒出来”。首先是为什么能“倒出来”，因为干冰升华后形成寒冷的二氧化碳，首先二氧化碳的分子量(44)比空气的平均分子量(约29)更大，其次二氧化碳温度更低，这两者共同导致二氧化碳混合小水珠的气体密度更大，会自发地往下沉。随后是为什么小水珠会顺着二氧化碳一起运动，这也有两方面的原因：

一是由于空气也和所有流体一样，是具有粘性的，粘滞阻力正比于在空气中低速运动的粒子的半径，而运动的小水珠的质量正比于半径的三次方，不难想象当这个水珠的半径足够小时，水珠的重力相比于粘滞阻力可忽略，其运动将完全受粘滞阻力支配，就好像被裹挟在粘稠蜂蜜里的小气泡，只能随着蜂蜜一起流动。

二是由于混合气体的运动速度不快，在水珠尺度只能形成层流，层流状态下流体的运动缓慢且平稳，其中单个微粒的运动方向与整体保持一致；作为对比，当流体速度很快/粘滞小/尺度大时会发生湍流，流体在整体向前移动的同时内部呈混沌状态，会有部分切向甚至反向的流动。

湍流和层流

关于小水滴究竟是层流还是湍流，我们可以做一个简单的估算：区分层流湍流的关键是雷诺数，它是一个无量纲常量，其中ρ为流体密度，v为运动速度，d为流体/颗粒尺度，μ为流体的粘滞系数。作为估算，空气的密度在 数量级，空气流动的速度应当于杯子尺度相当，为 ，水雾中小水滴的尺度在10微米（ ）数量级，空气的粘滞系数在 数量级，综合来看小水滴的雷诺数在0.1数量级上，而雷诺数小于1000数量级就可认为是层流，显然小水滴在空气中是以层流流动，并且被粘滞力主导。

这两种共同决定了寒冷二氧化碳中的小水滴会被粘滞阻力一同裹挟而下，并且由于水滴的尺度很小使得其呈层流流动，宏观上的表现就是水雾丝滑地跟随着空气一同被倒出来了。

参考文献：

1. 李玉柱等. 流体力学（第二版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2008.

by 小咕咕

Q.E.D.

Q5 火焰的内焰和外焰亮度哪个高？我观察火焰发现中间比较亮，但最边缘颜色较浅，会不会是火焰厚度叠加导致的？

by Qiqi_Hun

答：

壁炉中燃烧的火焰，可以看出主体部分的亮度明显更亮，边缘的亮度略有减弱 图源于网络

这个问题是一个很不错的问题，能观察到这个现象也是很细心的。要解答问题中的火焰内焰（实为外焰轮廓内部区域）和外焰（实为火焰轮廓部分区域）的亮度差异，需先区分“亮度”与 “温度”的不同****——火焰的轮廓因接触空气更充分、燃料燃烧更彻底，温度高于靠近轮廓区域的火焰，但亮度通常是接近火焰边缘的地方更高，火焰边缘呈现较暗的明亮轮廓，这一现象核心与燃烧充分程度及发光物质含量相关，而非单纯由火焰厚度叠加决定。

燃烧着的一束火焰，用一个纸张覆盖火焰，发现轮廓更快被碳化颜色变深，说明火焰靠外部分燃烧更充分，释放热量更多 图源于网络

燃料在火焰内层（外焰轮廓以内）时，氧气供应不足会发生不完全燃烧，产生大量炽热的碳颗粒，这些碳颗粒在高温下会释放强烈可见光，会让火焰呈现更明亮的外观；而处于最外层的火焰部分，能充分接触氧气，碳颗粒会被完全氧化成二氧化碳，发光的碳颗粒数量大幅减少，即便外焰温度更高，整体亮度也会降低、颜色变浅。

利用相机捕捉分析火焰亮度的分布，右图中火焰中蓝色部分表示亮度更亮的区域 图源于网络

提问的同学观察到的 “中间亮、边缘浅”，火焰厚度叠加或许会带来微弱影响，不是主要原因，所以答案是否定的，但关键仍是内焰中大量发光碳颗粒的存在与外焰中碳颗粒充分燃烧后的消耗差异，这也解释了蜡烛、酒精灯等常见火焰的亮度特点。

参考文献：

by 亦山

Q.E.D.

Q6 锡纸为什么能隔热？

by 好奇宝宝

答：

要搞懂锡纸为什么能隔热之前，首先来了解一下锡纸的材料与构造。材料方面，在早期，由于锡更容易被获取与提炼（熔点低）与高延展性，人们主要利用锡来制造锡纸，这也是锡纸这个名字的由来，而随着科技的发展，铝的冶炼技术变得越来越成熟，成本大幅下降，人们发现铝对热辐射（红外线）的反射率、熔点等都远高于锡纸，且成本也更便宜，因此铝比锡更适合做为锡纸的材料，因此现在的锡纸大部分都是铝箔，锡纸这个说法变成了一种历史遗留。构造方面，锡纸是非常薄的纸状，分为光亮面与哑光面，这两个面各有各的用途，下面将详细讲述。 搞明白锡纸的材料与构造后，我们可以来分析锡纸为什么能隔热，有以下几个原因。

锡纸隔热示意图 AI生成

一是锡纸对热辐射的高反射率：热辐射是热量以红外线形式直接传播的方式，是物体热传导的最主要方式之一。而由于铝材料本身表面光泽度极高，用其制造的锡纸对热辐射的反射率极高，隔热效率高，光亮面的存在更是将这个特点发挥的更加充分。我们包裹物体时可以选择不同面的朝向来实现不同的目的，如选择光亮面朝内，哑光面朝外可以更有效的将内部物体的热辐射反射回去，实现保温的效果；选择光亮面朝外，哑光面朝内可以有效防止外部热量流入，实现隔热的效果。

二是纸本身极薄，热传导量小：虽然铝的热传导率很高，但是由于滤波做的非常薄，总质量很小，其所传导的热量总量也很有限，形成了一个有效的热传导屏障。

三是致密性阻碍了热对流：热对流指的是通过空气或流体的流动来传递热量，而锡纸材质致密，可以将物体紧紧包裹，形成一个密封或半密封的空间，有效阻隔了内部热空气与外部冷空气的对流交换，防止内部的热量流失（保温）或外部的热量进入（隔热）。

参考文献：

1. Mason, R. B. (1933). Thermal insulation with aluminum foil. Industrial & Engineering Chemistry, 25(3), 245-255.

by 凉渐

Q.E.D.

Q7 明明空间站的速度大约是子弹的7倍那货运飞船是怎么对接上的？

by 茉立

答：

这个问题很有意思，而且答案也很“简单”，那就是“减速”嘛，慢下来不就好对接了嘛。那么又有小同学问：“货运飞船慢下来还能在宇宙中飞吗？”，把飞船变慢，要看相对谁来变慢了。货运飞船能对接上堪比子弹7倍速度的空间站，听起来很不可思议，其核心原理用生活化的一个场景来看，就好比是“一位列车员，在飞速运行的高铁上挪动行李”——在车外我们看着列车和乘务员看似都在“唰！”地一下飞过，实际上在列车员的眼里，脚下的高铁却是“静止”的。

高铁在轨道上飞驰 图源自央视新闻

乘务员在高速运行的高铁中检查 图源自网络

想实现对接任务的两个飞船，首先要实现和“乘务员”与“高铁”一样的相对“慢速”的状态，看似两个待对接的飞船的绝对速度（或者说是相对于地面的速度）都极高（空间站约7.68公里/秒），但通过轨道变化，此过程以彼此为参照系进行速度的调整，就能让它们达到这种“同一节奏”的相对静止状态。

飞船对接时相对地球的运动非常“快速”（上）和相对于彼此的运动较为“缓慢”，约数米每秒甚至更慢（下）图源：《太空救援》

对接初期，货运飞船入轨后会先进入比空间站略低的轨道，来追上空间站，利用“低轨道绕地球转得更快”的特点慢慢追上目标，并调整和保持两者的运动相对“较慢”；接着通过“变轨”，分几次点燃发动机抬升轨道，逐步缩小与空间站的高度差，并缩小距离相互靠近，以便调整姿态以及后续对接[1]。

飞船的变轨变速演示，神州飞船先降低轨道高度来加速并变换姿态，之后升高轨道以实现减速，恢复到和空间站相同的速度，以达到相对静止，如图所示。 图源：新华社

在接近过程中，货运飞船是如何把空间站看作“自己的参照物”来进行运动状态的调整呢？飞船会用激光、微波等“敏感器” 当“眼睛”，实时测算与空间站的距离和角度，再用控制系统当“大脑”，把相对速度从最初的数百米/秒，一步步降到1米/秒以内，最后以0.15米/秒的“慢动作”靠近。对接瞬间，飞船上的缓冲机构还会像“软垫子”一样吸收剩余冲击力，确保平稳连接[2]。

无论是中国的天舟飞船，还是国际空间站的货运飞船，都是靠这套“先追、再调、慢靠”的流程，实现了看似不可能的“太空之吻”，本质就是让两个高速物体处于同一运动参考系，把“快速度”转化为“慢对接”来实现。

神舟十二号载人飞船成功“缓慢”地交会对接 图源：央视新闻

参考文献：

2. 王文龙,杨建中.航天器对接与捕获技术综述[J].机械工程学报,2021,57(20):215-231.

by 亦山

Q.E.D.

Q8 在使用红外遥控器遥控设备时，为什么即使不将遥控器的发射口对准接收口，设备也能准确地接收到信号？

by Humanmax

答：

红外线是一种波长比可见光略长的电磁波。虽然人眼看不见，但它的表现与普通光非常相似：它会沿直线传播；它会被物体吸收、透射和反射，而题目中现象的主要原因也是利用了红外光的发射、接收和传播特性。

遥控器前段的那个小灯，通常是红外发光二极管，红外光的传播存在光束发散角，这是由其光源特性及衍射效应决定的固有特性。这意味着它在空间中会形成一个锥形的光束，而不是一条直线，通常情况下能达到30°~60°甚至更广。当按下按键时，红外光会以一个很大的圆锥形区域向前方发射出去。因此，只要设备的红外接收器在这个扩散角的范围之内，即使不直接对准，也能接收到信号。

另外，红外接收头外面有一个小的塑料窗口，这个窗口的作用之一就是扩大了接收器的视角，其视角可以达到±60°甚至更广。这意味着它不仅能接收正前方的信号，也能接收侧面一定角度的信号。

此外最关键的一环是红外光在传播过程中会受到墙壁，家具等物体的反射。这些反射有助于信号在室内环境中更广泛地传播，大部分表面（除非是纯黑色、吸光性很强的材料）都会将一部分红外光反射到房间的各个角落。虽然红外光不能穿透障碍物，但反射可以绕过一些障碍物，这些经过反射的、弥散在房间里的红外信号，最终总会有一些能够进入接收器的广阔“视野”当中，使信号到达接收器。

参考文献：

1. Plastics D O .Standard Test Method for Haze and Luminous Transmittance of Transparent Plastics[J].Astm[2025-09-03].

by 4925

Q.E.D.

Q9 纯牛奶没有防腐剂为什么保质期那么久？

by 好奇宝宝

答：

简而言之，就是“灭活+隔离”。

首先，在加工环节会使用UHT（超高温处理），HTST（巴氏杀菌工艺，缺点是之后需要冷藏且保质期较短）或者折中的ESL工艺在短时间内将绝大多数会造成变质或者致病的微生物灭活。其次，当加工完成后将牛奶灌装进包装的时候会采用无菌灌装技术，将牛奶和外界的空气、微生物、光等阻隔起来从而使得牛奶长时间稳定。值得一提的是，牛奶的包装也是采用了无菌纸盒，比如利乐包，从而进一步减小牛奶受到污染导致不稳定的可能。

一条利乐包装的UHT生产线

不过值得注意的是，虽然加工时的热处理使得绝大多数有害微生物灭活了，可惜百密一疏，某些耐热芽孢（比如Bacillus属），会侥幸存活下来，可能在后续条件下引发牛奶变质，这也是少数UHT产品会出现沉淀或者风味劣变的原因。

最后必须强调一点，牛奶的保质期长，但是仅限于未开封的时候——如果你打开了包装，那么没有防腐剂或者其它成分防止变质的牛奶会很快坏掉。

参考文献：

1. Deeth H. Optimum Thermal Processing for Extended Shelf-Life (ESL) Milk.

2. Vidic J, Chaix C, Manzano M, Heyndrickx M. Food Sensing: Detection of Bacilluscereus Spores in Dairy Products.

by ArtistET

Q.E.D.

投票
本期答题团队

蓝多多、ArtistET、凉渐、4925、亦山、小咕咕

上期也精彩

编辑：凉渐