氢氟酸有剧毒，那为什么含氟牙膏就能用了呢？ | No. 479

被称为“化骨水”的氢氟酸

踩到就身亡

那为什么含氟牙膏我们可以 天天 用？

问答导航 Q1 阑尾有什么用，还是说真的是人类没有进化完全的部位？还有哪些器官是目前没有发现有用处的？ Q2 为什么塑料用久了会变黄？ Q3 氟化氢有剧毒，那为什么含氟牙膏就能随便用呢？ Q4 为什么月球自转周期恰好和其围绕地球公转周期完全一致？导致月球面对地球的面始终不变。而太阳与地球，包括九大行星中其他行星与卫星的情况并非如此。这难道纯属巧合吗？ Q5 水能导电，那为什么水电厂发的电不能直接走水路运输呢？ Q6 夏天操场上的“热浪”是怎么形成的？ Q7 为什么高速旋转的风扇还是会粘上灰尘？ Q8 口香糖为什么不粘嘴？ Q9 用力弯折塑料外壳为什么会出现白色的痕迹？ Q10 为什么相同条件下，乒乓球在木桌上弹跳次数比在手机屏幕上多？

Q1 阑尾有什么用，还是说真的是人类没有进化完全的部位？还有哪些器官是目前没有发现有用处的？

by ChimeSky

答：

先说结论——人体确实有一些退化的器官，但并不全是完全没有用处，我们也没有必要说它们是“没有进化完全的部位”，我们接下来分别解释一下。

首先我们来讲讲这些退化的器官：第一个例子就是你问到的阑尾，曾经很长一段时间，人们确实认为这是一个完全没有任何用处的器官，但近年来的研究把阑尾从这种“无用残余”重新定位为了免疫与微生物库相关的器官：阑尾壁富含淋巴组织，可能参与局部免疫反应；更重要的是有理论与实证指出阑尾可作为“有益肠道菌群的储藏室”，在肠道菌群被清空或遭破坏（如严重腹泻或抗生素后）时有助于重新播种有益菌；另一个例子是尾骨，它是骨盆底肌与韧带的附着点，参与坐姿支撑和盆底结构的稳定。很多资料指出尾骨在解剖与功能上仍有作用（若痛或断裂会影响功能）。所以也不能简单称它“无用”；还有掌长肌，这是前臂中一个在很多人身上缺失的肌肉（不同族群缺失率差异大），功能上也很弱，外科上常把其腱取来做移植（说明缺失并不致功能缺陷）。因此常被列为“可变/次要”肌肉；最后还有我们的智齿——这个倒是完全没有用，只会在它疼的时候让你花掉一个下午以及 数量级的钱来为它送行……

然后我们再说一下“没进化完全”的部分这个问题：所谓的进化实际并不是像我们平常工作、学习、玩游戏那样有一个特定的方向或者是目标的。它其实是随机变异和自然选择的结果。也就是说我们身上目前的退化器官都曾经在我们人类演化的历史进程中发挥过其功能，只是说现在我们并不需要原来的主要功能，所以只保留了次要功能甚至完全没用了。不过像智齿这样消失反而对人体有益，并且缺失很常见，即有一定演化压力推动其减少的退化器官或许会在将来消失，但我们刚刚提到的那些器官还有些用，所以不太可能消失。并且值得一提的是，现代生物学更倾向于认为它们是“进化的证据”，而非“进化不完全”。

参考资料

1. Randal Bollinger R et al. Biofilms in the large bowel suggest an apparent function of the human vermiform appendix.

2. Ioannis D et al.Palmaris Longus Muscle's Prevalence in Different Nations and Interesting Anatomical Variations: Review of the Literature. .

3. Lirette LS et al. Coccydynia: an overview of the anatomy, etiology, and treatment of coccyx pain.

4. Pinto, A.C et al. Worldwide Prevalence and Demographic Predictors of Impacted Third Molars—Systematic Review with Meta-Analysis.

by ArtistET

Q.E.D.

Q2 为什么塑料用久了会变黄？

by 义城第一狂

答：

这主要是因为塑料材料在光、热、氧气等环境因素长期作用下的“老化”现象。

太阳光中的紫外线（UV）是导致塑料发黄的重要因素。塑料是由许多长长的分子链（聚合物）组成的，比如聚苯乙烯（PS）、ABS、聚氯乙烯（PVC）等。阳光中的UV能量很高，就像很多把小剪刀，会剪断聚合物分子中的化学键，产生活泼的自由基。这些活泼的小东西会引发一系列化学反应，生成能够吸收特定波长可见光的基团，从而使材料颜色发生变化，逐渐变黄。而且，温度升高会加速这些化学反应，使得塑料材料在高温且光照环境下更快变黄。

不过，就算没有UV作用，高温环境条件也会导致热老化。高温会使塑料分子链运动加剧，分子间的碰撞频率增加，从而加速分子链的断裂、重排等反应。这些反应会生成一些具有颜色的产物，导致塑料持续变黄。

此外，塑料生产中加入的许多添加剂（如稳定剂等），在塑料制品的长期使用过程中会发生氧化还原反应，导致黄变。以聚氯乙烯（PVC）窗框为例，具有光敏活性的锐钛型二氧化钛（TiO₂）吸收光的能量后，诱发 PVC 光降解反应，使 PVC 主链脱氯化氢（HCD）并产生多烯结构。多烯结构的共轭体系会吸收特定波长的光，从而使材料呈现黄色。

参考资料：

1. Abaroa-Pérez B, Ortiz-Montosa S, Hernández-Brito JJ, Vega-Moreno D. Yellowing, Weathering and Degradation of Marine Pellets and Their Influence on the Adsorption of Chemical Pollutants. Polymers (Basel). 2022 Mar 24;14(7):1305.

2. 周崇胜,范铭煜,丁云浩,等.常见微塑料的自然光解老化[J].环境化学,2021,40(06):1741-1748.

3. 杨爱明, 张曙, 阚家德. 用FT-IR研究聚氯乙烯窗框变黄机理[J]. 红外技术, 2004, 26(2): 84-86.

by 4925

Q.E.D.

Q3 氟化氢有剧毒，那为什么含氟牙膏就能随便用呢？

by 匿名

答：

氟化氢（ ）与含氟牙膏，虽都含“氟”元素，却一个是致命剧毒，另外一个却可以保护牙齿。其根本差异在于它们的化学形态、作用机制和浓度，这三点决定了它们截然不同的生物学效应。

首先，化学形态决定了渗透能力。氟化氢是一种弱酸，在溶液中主要以电中性的 分子形态存在。这种小分子具有亲脂性，能轻易穿透皮肤和细胞膜的脂质屏障，深入组织乃至进入血液循环，从而引发全身性中毒。与此相反，牙膏中添加的是氟化物盐类，如氟化钠（ ）。它们在唾液中会迅速解离，释放出带电荷的氟离子（ ）。这个离子被极性的水分子包围，体积大且带电，因此几乎无法穿透疏水的细胞膜，其作用范围被有效局限在口腔的牙齿表面。

其次，作用机制截然相反。氟化氢是“破坏者”，一旦进入体内，它便会疯狂地与对生命活动至关重要的钙离子（ ）和镁离子（ ）结合，形成不溶性沉淀。这不仅直接导致细胞死亡，更会引发致命的低钙血症，严重干扰神经与心脏功能。而牙膏中的氟离子是“建设者”。它的任务是在牙齿表面与牙釉质的羟基磷灰石（ ）反应，形成化学性质更稳定、更耐酸的氟磷灰石（ ）。这个被称为“再矿化”的过程，能有效加固牙齿，甚至修复早期的蛀牙损伤。

最后，“抛开剂量谈毒性”是不科学的。牙膏中的氟浓度受到法规严格限制，通常在 至 （即 ）之间。这是一个被科学反复验证的、既能有效防龋又对人体安全的浓度范围。正常刷牙漱口的使用方式，摄入量微乎其微，远不足以构成危险。

综上所述，氟化氢可以凭借其分子形态深入体内进行破坏，而含氟牙膏中的氟则是凭借其离子形态与牙釉质结合保护牙齿。二者在本质上的巨大差异，决定了它们安全性的巨大差别。

参考资料：

2. McKee, D., et al. (2018). A review of the toxicology of hydrogen fluoride.Toxicology Letters, 295, 1-13.

by 一毫

Q.E.D.

Q4 为什么月球自转周期恰好和其围绕地球公转周期完全一致？导致月球面对地球的面始终不变。而太阳与地球，包括九大行星中其他行星与卫星的情况并非如此。这难道纯属巧合吗？

by 求真

答：

这是一个很有意思的自然现象，月球自转周期与公转周期一致（即 “潮汐锁定”）并非巧合，而是天体间引力潮汐作用的必然结果。

潮汐锁定状态下，月亮与地球之间的相互作用示意图，地球的潮汐同时受到月球和太阳引力的共同作用，月球的潮汐隆起也有着类似的变化过程。 图源于网络

由于地球对月球的引力存在差异：月球近地侧受引力更强，远地侧更弱，这种引力差会将月球拉伸出微小的潮汐隆起（类似地球海洋潮汐），而早期地球自转速度远快于月球公转速度，地球通过引力拖拽月球的潮汐隆起，持续减缓月球自转速度，直到月球自转周期恰好等于公转周期，此时月球的潮汐隆起始终朝向地球，引力拖拽作用消失，达到稳定的潮汐锁定状态。

月球的潮汐隆起始终朝向地球 图源于网络

其实这一过程仅在太阳系中就十分普遍，而非月球独有，比如木星的伽利略卫星（木卫一、欧罗巴、木卫三和卡利斯托）；土星的泰坦卫星、土卫四卫星等均被其主行星潮汐锁定；冥王星和它的卫星卡戎，两颗星体体积和质量相差并不很大，平均每六天两颗星体便会环绕质心转动一周……可见是天体引力相互作用的常见结果。

卡西尼号探测器观测土卫六 图源于网络

那么我们又会想到，为什么太阳系诞生这么久了，地球怎么还没有被太阳潮汐锁定呢？简单来说是因地球与太阳距离更远，太阳潮汐力较弱，且地球自转减速过程极其缓慢（目前地球自转仍以约每百年2毫秒的速度减慢），在各因素综合影响下，导致地球尚未达到锁定状态。

太阳系中的行星均有被锁定的趋势 图源于网络

参考资料：

1. 张瑞玉,李焱.存在非同步转动的双星演化模型[J].天文学报 , 2012 , 53(04):274-290. DOI:10.15940/j.cnki.0001-5245.2012.04.004.

2. CELLETTI A, KARAMPOTSIOU E, LHOTKA C, etc. The Role of Tidal Forces in the Long-term Evolution of the Galilean System[J/OL]. Regular and Chaotic Dynamics, 2022, 27(4): 381-408. DOI:10.1134/S1560354722040013.

by 亦山

Q.E.D.

Q5 水能导电，那为什么水电厂发的电不能直接走水路运输呢？

by 大聪明

答：

因为它效率低而且危险。

首先，水其实电阻比我们现在常见的导线材质的电阻要高得多，我们平时看到水“导电”其实很大程度和其中的矿物质有关，而我们又知道电路发热的功率 ，而水的电阻比铜等导电材料要大 ~ 量级，这就导致如果你用“水路运输”那损失就要大不知道多少了。

其次，水不像金属用自由电子导电，而是用离子迁移来导电。要驱动离子流就需要在起点和终点放置电极，传输电能的同时也会在电极处发生电化学反应，长期传输就会消耗电极并且产生氢气和氧气，不但损害设备，还会产生爆炸、窒息等潜在风险。同时实际中，沿着水体传导电流会产生“游离电流/旁路电流”，这是造成金属管线、电缆护套等腐蚀的主要罪魁之一（海洋、港口、地下管线工程对这一点非常重视）。大规模用水作为导体会引起严重腐蚀问题，带来高昂维护成本与安全风险。

再者还有一个很容易想到的问题——用水体运输电流，那周围的生态环境就要受到极其严重的损害了，至少这水里的生物就全被电死，烫死或者被产生的腐蚀性化学物质毒死……它们唯一的选择可能就变成选自己的死法了。

最后，如果你非要把运输电力和水扯上点关系的话也不是不行，比如海底跨海输电，使用绝缘的金属导线（输电电缆），而不是依靠海水本身作为导体；或者即抽水蓄能，把电转成势能搬运（水上升储能、下放发电），这是当前工业上把“水”用于能量传输/存储的主流、成熟方案，很多电力系统用它作为大规模能量存储/调峰手段。

参考资料：

1. Allen J.Bard et al, Electrochemical Methods

2. Michael J. Szeliga, "Stray Current Corrosion.", Peabody's Control of Pipeline Corrosion, A.W. Peabody, Ronald L. Bianchetti, P.E.

by ArtistET

Q.E.D.

Q6 夏天操场上的“热浪”是怎么形成的？

by LY

答：

题目中的“热浪”如果是我们视线中感受到空气“扭曲、晃动”的那种feel的话，它就是一个经典的物理现象，主要涉及的原理为热辐射、对流和光的折射。

首先，因为夏天的太阳光携带着巨大的能量辐射到操场表面。由于操场表面是由具有较低反射率的深色的塑胶、沥青和裸露的泥土等材料组成，这意味着它们常会吸收大量光能，并将其转化成热能。因此在经过暴晒之后，操场的温度可能会飙升至50℃~70℃，远高于空气温度。在如此炽热的环境下，热量会通过热辐射加热紧贴地面的空气层。当空气受热膨胀得到了热量后，这些分子的运动速度加快，彼此间的间隙变大，导致空气体积膨胀。而体积膨胀后的空气其密度会减小（单位体积内的空气分子变少了），所以会变得比上方的冷空气更“轻”。

热空气的上升和光的折射形成了所谓的“热浪”效果。炽热的地面并不是绝对均匀的。有些地方颜色更深、有些地方存在阴影；这会导致地面加热空气的程度有所不同。于是在靠近地面的地方，还形成许多密度不均匀、不断变化的薄层热空气团。这些热气团因为密度小开始上升，形成微小的、向上的气流。当你望向操场远方时，你看到的是物体反射过来的光线，这些光线在到达你眼睛之前，会穿过地面上那层密度分布不均匀、且剧烈运动的热空气团。光线在穿过这些近地面的密度不同的空气层时，传播方向会发生改变——不再是直线，而是被反复地、不规则的折射，导致了光线的扭曲。当你的大脑接受的这些不断变化的扭曲光线时，会误以为你看到的物体在晃动，如同“波浪”一样，这就是我们看到的“热浪”现象。

by 4925

Q.E.D.

Q7 为什么高速旋转的风扇还是会粘上灰尘？

by 匿名

答：

核心原因在于，高速旋转的风扇叶片会由于大量和空气摩擦而带上静电，静电对空气中的小灰尘颗粒有很强的吸附作用，从宏观上来看就是灰尘粘在上面了。虽然理论上当风扇停转后叶片上的静电会被渐渐中和，没了静电的吸引这些灰尘颗粒会逐渐脱落，但实际上这些因为静电吸附上去的灰尘并没有那马容易脱落。一方面是由于分子间的范德华力仍然会提供一部分吸引力，使得部分粘贴较紧的灰尘无法脱落，另一方面是由于部分灰尘颗粒具有粘性（尤其是来自厨房的油污等），这些粘性颗粒不仅会牢牢固定在风扇上，还会粘上更多其他的灰尘颗粒。如此一来，高速旋转的风扇上就会粘上不少灰尘了。

by 小咕咕

Q.E.D.

Q8 口香糖为什么不粘嘴？

by 好奇宝宝

答：

口香糖不在口腔内产生粘附，其根本原因在于口腔的湿润环境与口香糖胶基的物理化学特性之间不匹配。

首先，口腔内部所有组织表面（如舌头、牙齿）都被唾液覆盖，在它们的表面会有一层薄薄的水膜，它可以起到物理隔离和润滑作用，以此阻止口香糖的基质与口腔组织直接接触。其次，口香糖的核心成分“胶基”是一种疏水性和非极性的合成高分子聚合物，非极性物质很难与水这种极性物质发生有效的化学键合或物理吸附，疏水的胶基与亲水的唾液薄膜之间相互排斥，无法形成稳定的粘附。

然而，细心的你一定会发现，我嚼口香糖有时也会粘牙呀，这主要有以下两种可能：

第一，牙齿表面状态的改变：这应该是最主要的原因。天然健康的牙釉质非常光滑的，但人工修复体（如补牙的树脂、牙冠、假牙）的表面特性与天然牙釉质不同，且其与牙齿的边缘接合处常有微小缝隙。此外，龋齿（蛀牙）造成的空洞或牙结石形成的粗糙表面，都会破坏牙齿的光滑度。这些不规则的结构为口香糖提供了机械锁合的条件，使其能物理性地嵌入并卡住。

第二，口香糖中糖分的影响：传统含糖口香糖中的糖分会溶解于唾液，形成黏性糖浆。这种糖浆本身就具有粘性，可以像胶水一样将胶基粘在牙齿的窝沟或缝隙中。偷偷告诉你，如果不想粘牙的话可以试试木糖醇等糖醇的无糖口香糖，它不易形成这种黏稠液体，粘牙风险显著降低。

参考资料'

by 一毫

Q.E.D.

Q9 用力弯折塑料外壳为什么会出现白色的痕迹？

by 好奇宝宝

答：

相信很多观察细致的同学，在日常生活中也会发现这个现象：当用力弯折塑料外壳时，其表面出现的白色痕迹，这是一种被称为 “应力发白” 的现象，本质上是材料微观结构在应力作用下发生变化与光散射共同作用的结果。

图为高分子聚合物链简单模型图，链是由许许多多的重复单元组合而成，这些许许多多的聚合物链，组成了我们宏观常见的塑料制品。 图源于网络

塑料由高分子聚合物链构成，当受到弯折等外力时，局部区域会产生应力集中，超过材料的屈服强度后，聚合物链会发生滑移甚至断裂，从而在内部形成大量微裂纹（银纹）和空洞。

显微镜下观察形成的微裂纹和空洞 图源于网络

这些微裂纹并非完全断裂的缝隙，而是由扁平的楔形结构组成，这些结构通过高度取向的聚合物链相互连接，其中空洞体积占比可达40%~50%，导致该区域密度显著降低，折射率也随之下降（微裂纹折射率约1.33，而本体通常为1.59，折射率越小，对光的偏折能力越小）。

散射现象使得塑料弯折后看起来发白。 图源于网络

当光线照射到弯折的区域时，由于微裂纹与周围基体的折射率差异，光线会发生强烈的散射（主要是米氏散射和瑞利散射），原本的塑料因此呈现出不透明的白色。

热塑性的塑料内部的聚合物链之间的作用力会随着温度的上升而破坏（发光的链接代表链状结构之间的作用力），从而在形成新的状态时弥合裂纹和空洞结构，缓解应力发白的现象。 图源于网络

亚克力板弯折时处于加热的状态，应力发白现象减弱，此原理常用作工艺加工等用途（图中底部螺旋状物体为加热丝，图中实验应用高温，请勿模仿）。 图源于网络

参考资料：

1. 张文晶,王芸,潘茂植,等.聚合物材料应力发白现象研究进展[J].塑料工业 ,2012, 40(11):1-5.

2. 陆玉本,梁惠强,乡志来,等.应力发白现象及其对聚合物物理性能的影响[J].塑料科技,2002,(02):5-7+14.

3. 中华人民共和国国家标准-塑料术语

by 亦山

Q.E.D.

Q10 为什么相同条件下，乒乓球在木桌上弹跳次数比在手机屏幕上多？

by 路人甲4

答：

简单来说，核心原因是木桌能更好地储存和返还弹性势能，而手机屏幕会将更多的球撞击动能耗散掉。

理想弹性碰撞：在理想情况下，一个完全弹性的球撞击一个完全刚性的平面，动能没有损失，球会以相同的速度弹回。但这在现实中不存在，所有碰撞都有能量损失。

显然乒乓球与木桌或手机的碰撞并非理想弹性碰撞，我们可以从木桌或手机屏幕的材质的不同来分析乒乓球分别与它们发生碰撞时的区别。木桌的特性：木头是一种具有微观弹性的材料。当乒乓球撞击木桌时，木桌表面会发生极其微小的、肉眼难以察觉的形变（凹陷）。这个形变过程像弹簧一样，将乒乓球的动能暂时储存为木桌的弹性势能。随后，木桌迅速恢复原状，将储存的弹性势能绝大部分返还给乒乓球，使其弹起。手机屏幕的特性：现代手机屏幕通常由多层玻璃、触摸层和粘合剂构成，层与层之间常常会有微小间隙。当乒乓球撞击屏幕时，层与层之间的填充物和空隙容易吸收能量。

能量守恒定律告诉我们，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。屏幕本身为多层结构，它无法像木头那样有效地储存和返还能量。相反，撞击产生的能量会通过其他方式被耗散（转化为其他形式的能量），转化为内能（热能）：手机并不像桌面一样能在碰撞过程保持稳定，撞击的震动会通过屏幕传递到整个手机机身，最终转化为微小的热量散失掉；转化为声能：你会听到“嗒”的一声，这也是能量损失的一部分。

我们用非弹性碰撞的核心公式恢复系数e来反应这一现象： ，v：乒乓球撞击桌面之前的瞬时速度；v'：乒乓球从桌面弹起之后的瞬时速度。此处0 < e < 1表示为实际中的非弹性碰撞。恢复系数e直接决定了弹跳高度。 弹起后的动能公式为：

² ² ² ²

，即弹起后的动能是撞击前动能的e²倍。而动能又转化为高度（势能），所以弹起的高度h'与初始高度h的关系是： ² 。

由前面的材质比较分析我们知道木桌的恢复系数应大于手机屏幕的恢复系数，我们假设木桌的恢复系数为0.8，手机屏幕的恢复系数为0.6，那么我们可以计算每次乒乓球弹起的高度：

在木桌上的弹起高度公式： ² ，该公式反映如若从10cm的空中落下与木桌发生第一次碰撞的弹起高度约为6.4cm。

在手机屏幕上的弹起高度公式： ² ，该公式反映如若从10cm的空中落下与手机屏幕发生第一次碰撞的弹起高度约为3.6cm。

这样比较下来，每次在木桌上发生碰撞反弹的乒乓球的高度都比在手机屏幕上的高，所以乒乓球在木桌上弹跳次数比在手机屏幕上多。

参考资料

1. 《物理学基础》（Fundamentals of Physics） Halliday, Resnick, Walker.

by 测不准的小阳

Q.E.D.

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4925、小咕咕、亦山、测不准的小阳、ArtistET、一毫

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