俗话说，“响屁不臭，臭屁不响”，有科学道理吗？ | No. 526

今天在家“噗噗”放了个响的，

不臭！舒畅~

但是为什么进电梯有人闷声放了个大的，

这么熏人啊！！

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Q1 为什么血管是蓝绿色的？
Q2 为什么按毛笔容易分叉？
Q3 为什么西瓜可以掰出平滑的切面？
Q4 为什么影视剧里人躲在水下不易被子弹打中？
Q5 多电池串联时会给放电快的电池反向充电吗？
Q6 有没有铝、镁离子电池？
Q7 为什么一袋网球掉到地上很难弹起来，但一个球可以？
Q8 如果外太空也有一颗有生命的行星，会产生哪些奇妙生态景观？
Q9 为什么头发白了，胡子却没有白？
Q10 打篮球的时候球鞋和地板为什么会有尖锐的响声？
Q11 俗话说，“响屁不臭，臭屁不响”，有科学道理吗？

Q1 血液是红色的，为什么我看自己血管是蓝绿色的？

by 囧菌噬菌体

答：

这要分两层来说，一层是光在皮肤里的走法，一层是大脑怎么判颜色。

光打到皮肤上，红光波长较长，能钻得比较深，一直透到静脉的位置，被里头的血液吸收掉一部分。蓝光波长较短，在皮肤浅层就被散射和吸收了，很少能走到血管跟前。这么一来，静脉上方反射出来的红光比周围皮肤少了一些，蓝光基本没变。这种红光相对减少， 就是蓝绿色感觉的来源。

不过静脉上方反射的红光，绝对量其实仍然比蓝光多。光看光谱数据，甚至判断不出这儿有什么颜色。Kienle 等人 1996 年的研究发现，要正确预测出蓝色，得借助 Land 提出的Retinex 理论：眼睛判断某一点颜色，依据的是该点和周围区域反射光的比值，单看这一点本身的光谱并不够。放到静脉上，周围皮肤红光多，血管上方少了一截，大脑一对比就把这块判成了蓝绿色。这和灰色放在红色旁边看着发蓝一个道理。

静脉显不显蓝绿色，还得看它的深度和粗细。 太浅太细的会偏红偏紫，而太深就看不见；大概半毫米深、够粗的才会呈现出典型的蓝绿色。另外静脉血吸红光比动脉血略强，所以更容易显蓝；最后偏蓝偏绿还是偏灰，则因人而异，跟皮肤里胶原纤维的散射有关。

说到底，血管发青是光的波长选择性穿透、血管的深度管径、加上大脑的色彩感知这几件事叠加出来的结果。

by 柠七

Q.E.D.
Q2 为什么毛笔一按就容易分叉？

by 匿名

答：

毛笔受到按压容易分叉，本质上是因为笔锋里的毛束在受到不均匀的压力后，无法继续保持原来的聚拢状态，毛与毛之间发生错位从而向四周分散开。这和毛笔的结构、毛的弹性以及使用方法都有关系。

毛笔的笔锋由很多根动物毛（如羊毫、狼毫、兼毫等）排列、捆扎形成。正常状态下，毛尖朝向一致，毛与毛之间靠自身的弹性和水分黏附聚在一起，所有毛共同形成一个尖锐的笔锋。当轻轻落笔时，笔尖只是稍微弯曲，仍能保持聚拢。但如果用力下压，外层毛先被压弯，同时内层毛受到挤压，不同位置的毛受到的力不一样，于是笔锋就会向四周展开形成分叉。

容易被压散的毛跟其性质也有很大关系。例如羊毫的毛细、柔软、含墨量大，但弹性较弱，更容易铺开，而狼毫的毛较硬，弹性强，不容易散锋，兼毫则介于两者之间。对于羊毫笔，如果像用普通钢笔一样用力压，笔尖很容易像打开的小刷子一样散开。而狼毫笔即使按下去，也可能因为弹性较强，比较容易恢复。

此外，墨水多也容易带来分叉。干毛时，毛与毛之间摩擦较大，容易保持形状。蘸墨后，毛变软且毛之间有液体润滑，促进了滑动分离。所以一支刚蘸满墨、非常湿润的毛笔，如果用力去压，反而更容易分叉。

书法家之所以能按下去而不分叉，其实是控笔之力恰到好处。下笔时，笔杆尽量垂直纸面，靠指尖轻微发力，让笔锋自然铺开，而不是靠蛮力按下去，这样才能呈现“铺毫而不散锋”。

参考资料：

1. 北京大学书法研究所. 漫谈毛笔[EB/OL]. 北京大学书法研究所, 2022.

2. 故宫博物院. 兼毫笔[EB/OL]. 故宫博物院数字文物资源库.

3. 清华大学出版社. 书法教程（一）[M]. 北京：清华大学出版社, 2024.

by 持之以恒

Q.E.D.
Q3 为什么西瓜切开之后有的时候可以掰出（类似图中这种）非常平滑的切面？这是不是西瓜成长过程中的什么天然结构？

by Aguamoid

答：

西瓜是葫芦科典型的瓠果，由3枚心皮边缘相互愈合发育而成，属于侧膜胎座结构。3枚心皮在果实中心靠拢、融合的边界，称为腹缝线。这是果实发育中不同组织的愈合界面，在这个界面上，细胞排列的连续性更差，组织间的黏结强度显著低于周围果肉，是天然的力学薄弱面。当掰开的受力方向恰好与腹缝线平面重合时，裂纹就会沿着这条愈合面平稳扩展，最终形成接近完美的平整断面。我们横切西瓜时看到的“三星状”浅色纹路，正是这3条腹缝线的截面。

其次，我们食用的西瓜瓤，主体是高度膨大的胎座薄壁细胞：细胞体积大，内部几乎被充满糖汁的液泡占据，细胞之间依靠以果胶为主要成分的胞间层黏合在一起。成熟度越高的西瓜，果肉中果胶酶活性越强，会逐步降解胞间层的果胶成分，让细胞间的黏合力进一步下降。此时不仅更容易徒手掰开，裂纹也更倾向于沿胞间层平稳扩展，断面也更光滑；未完全成熟的西瓜果胶黏结力强，断裂更容易扯破细胞壁，断面就会粗糙、汁水流失更多。

综上，所以要得到这种完美平滑的断面，需要满足以下几个条件：

1.受力方向恰好与西瓜的天然解理面：腹缝线平面对齐；

2.西瓜成熟度适中偏高，胞间层果胶适度降解；

3.品种为脆肉型西瓜，果肉细胞排列规整，纤维含量少；

4.掰开时用力均匀，使得裂纹平直，无局部应力集中。

by Cliff

Q.E.D.
Q4 为什么影视剧里人躲在水下不易被子弹打中？

by hikki

答：

在水下不能打中人的根本原因在于水的物理性质和空气完全不同，标准状态下水的密度大约为1000kg/m3，而空气的密度约为1.22-1.29kg/m3，二者密度相差大约800倍，当子弹用极高的速度射入水中的时候，会受到极大的流体阻力来消耗掉子弹的动能。

子弹之所以能有很大的杀伤力就是凭借着子弹极高的速度，所以当子弹进入水中，速度急速下降，除非人离水面很近，否则子弹还没碰到目标就会沉入水底了。

除了水的阻力影响，还有一部分光学因素在，因为水面引起的光学折射也会使得目标瞄准错误，我们在初中都学过一个只是，水里看到的物体会比真实物体的位置要高，这就是光学折射造成的视觉误差，当你站在岸上或水面以上瞄准水下的目标时，你看到的其实是它在水中的虚像，真实位置通常比你看到的要深。

by 蓝多多

Q.E.D.
Q5 多电池串联时好像会给放电快的电池反向充电，真的吗？

by 不正经的林学生

答：

准确的说法是串联电池强制过放导致的"反极"，而不是真的被"充电"。

差别在这里：串联回路里电流只有一个方向，对每一节电池来说,电流都是从正极流出的——这是放电方向。充电要求电流从正极流入。所以其他电池并没有在给那节弱电池充电，而是在逼着它继续放电。

在强制过放过程中，容量最小的那节先放空。但回路电流由其余电池维持,它必须继续通过同样大的电流。活性物质用完后，电极只能靠副反应来"承接"这个电流,于是就会发生电解液分解、电极电解质界面增厚阻抗增大等情况，这节电池的端电压会慢慢降到0，甚至变成负值，同时伴随着发热、产气等安全风险。

对于不同的电池体系，该现象具有不同程度的危害性：对于我们常用的碳锌碱性电池，该现象会导致电池内部产氢，鼓包、漏液、破裂。而对于锂离子电池，石墨负极过度脱锂后，铜集流体会发生溶解,再充电时铜将以枝晶形式析出,造成内部短路,后果可能是热失控。

目前使用电池，尤其是多电芯组装而成的大电池时，都会内置电池管理系统，设置单电芯的截止充放电电压，防止电芯过充或者过放而带来的安全问题。

by 蓬舟山去

Q.E.D.
Q6 既然有锂离子电池(每摩尔电子质量7g)，那有没有铝离子电池(每摩尔电子质量9g)？有没有镁离子电池(每摩尔电子质量12g)？

by 匿名

答：

有。铝离子电池和镁离子电池在实验室内都已经有所研究，只是目前还没有像锂离子电池一样成熟和普及。

先看“每摩尔电子质量”这个问题。一个锂原子失去一个电子，所以约6.94克锂对应一摩尔电子。一个镁原子可以失去两个电子，24.3克镁对应两摩尔电子，平均下来约为12克。一个铝原子可以失去三个电子，约27克铝对应三摩尔电子，平均下来约为9克。因此，提问中的估算是正确的。

不过，电池不能只看电极材料能提供多少电子，还要看在充放电过程中，正负极材料能不能稳稳地“接住”往返于正负极间的载流子（ 、 ），以及电解液能不能顺利地运输这些载流子。由于充放电过程中，正负极材料的相变以及界面副反应等缘故，电池可逆性会受到影响。若是无法克服这些问题，则无法产业化应用。

铝离子电池已经做出过实验样品，通常用金属铝作负极、石墨作正极。放电时，铝失去电子，电解液中的含铝离子进入石墨层间；充电时再离开。可以把石墨想成一叠薄片，离子在薄片之间进进出出。铝的优点是便宜、资源丰富，而且一个铝原子能提供三个电子；但正极和电解液还不够理想，所以铝离子电池目前还没有成为手机和电动车的常用电池。

镁离子电池也有。镁离子带两个正电荷，虽然体积小，却容易和周围物质结合，在电解液和正极中移动得比较慢；镁表面还可能形成一层“堵路”的薄膜，阻碍镁的沉积和溶解。因此，镁电池虽然有资源丰富、体积容量大等优点，但目前仍主要处于研究阶段。

所以，铝离子电池和镁离子电池都是真实存在的。铝的每摩尔电子质量比镁小，但要成为实用电池，还要解决离子能否顺畅往返的问题。

锂离子电池之所以成为主流，并不是因为锂在每个方面都最好，而是因为它综合性能比较均衡：锂很轻，同样质量可以储存更多电荷；Li只带一个正电荷，移动和进出正极比较容易；锂的电极电势又低，可以产生较高的电池电压。再加上锂离子电池经过多年发展，正极、电解液和生产工艺都已经很成熟，所以它在能量密度、充电速度、循环寿命和成本之间取得了较好的平衡。这正是铝、镁虽然各有优点，却还没有取代锂离子电池的主要原因。

参考资料：

1. 谭斌等：《铝离子电池正极材料的研究进展与展望》

2. Lin, M.-C., et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery, Nature, 520, 325–328 (2015)

3. 张默淳等：《镁离子电池正极材料研究进展》，《物理化学学报》

4. 中国科学院：《镁金属二次电池向大规模应用迈进》

by 小被子

Q.E.D.
Q7 为什么一袋网球掉到地上很难弹起来，但是一个网球弹跳性却很强？

by 夏

答：

首先我们来观察下这个问题，问题中很明确在观察的网球从一个变成一袋时，弹跳力明显下降。那么为什么仅仅是一个量词的差距，会产生这么不同的现象？一袋网球更多，不应该比一个弹得更高吗？那我们现在就来拆解下这个反直觉的事情。

我们先明确一个网球为什么会弹，如下网球切面图，当你拿到一个网球切开，你会发现网球中间是中空的结构。当网球落地时，球被压扁，内部空气被压缩，橡胶也发生弹性形变，就像一个蓄势待发的弹簧。这里我们的重力势能转化成了网球储存的弹性势能，然后弹性势能又转变成网球向上运动的动能。因为材料、空气阻力等等的缘故，网球也不是“完全不损耗能量”的，压扁和恢复的过程中，会有一部分能量变成热、声音，以及橡胶材料内部的耗能，所以它不能弹回原来的高度。这其实就是中学物理会学习到的非完全弹性碰撞，质量轻的网球与相对质量无穷大的地球发生的碰撞，并在碰撞中产生其他的能量损失。

图 网球切面（来源于网络）

那么我们现在转变下视角，看看一袋网球落地的时候发生了什么。当一袋球从一个高度落下地面时，堆积在下面的球会更先落地，但此时上面的球还在不停向下压，两个球之间可能发生碰撞，这里的碰撞依然是非完全弹性，所以即使上面的球还没接触到地面，他就已经受到下面球给的向上的力，已经开始向上运动了。

而且根据常识，我们知道球形的物体在装入不规则容器中，球与球之间的摆放会根据容器的形状而发生变化，并且球与球之间有很多空隙以及堆叠结构。于是本应该一股劲往一处使的网球们，因为结构和堆叠原因，导致受力十分不均匀，开始四处乱窜，乱窜的网球遇到袋子又被限制，能量的耗散也大幅上升。

这里面有几个点： 1、先落地的球开始向上运动时于后落地的球产生非完全弹性碰撞； 2、袋子并没有刚性，多个球在袋子里的结构也在不断地变化，这会导致球与球之间相互作用力方向的改变，所以球会向四面八方运动； 3、四面八方运动的球又会与装它们的发生碰撞，极大的限制运动。 4、球与球之间，球与袋子之间的摩擦增加，也会增大耗散。

综上，虽然一袋网球其中某些球可能仍会弹一下，甚至有时会被“顶”得跳得较高，但整袋作为整体很难获得整齐、同步的向上速度，看起来便“不怎么弹”。这和工程中的“颗粒阻尼”很相似，让颗粒在容器中碰撞、摩擦，可有效消耗整体的振动或反弹能量，使容器在作业时增加稳定性和安全性。

参考资料：

1. PACHECO-VÁZQUEZ F, DORBOLO S. Rebound of a confined granular material: combination of a bouncing ball and a granular damper[J]. Scientific Reports, 2013, 3: 2158.

by LS

Q.E.D.
Q8 如果在外太空也有一颗有生命的行星，那么根据恒星亮度与太阳的不同，是否会产生一些比较奇妙的生态景观（如植物颜色，大气层颜色）？

by 匿名

答：

如果外太空存在有生命的行星，那里的生态景观很可能和地球非常不同。决定植物和天空颜色的关键，并不只是恒星亮度，而是恒星光谱、大气成分和生物对光的利用方式共同作用的结果。

但需要说明的是，亮度主要影响行星接收到的总能量，从而影响光合作用的光强，而光谱则更直接地影响“什么颜色的光可用”，进而影响植物色素和天空颜色。

恒星温度不同，发出的光谱也不同。根据维恩位移定律，温度较高的恒星辐射更偏短波，较冷的恒星则更偏红光和近红外。例如一颗行星围绕红矮星（比太阳温度低）运行，地表接收到的光可能比地球更偏红和红外。当地光合生物为了利用这些波段，可能演化出不同于叶绿素的色素，因此“植物”未必是绿色，也可能呈现暗红、紫黑甚至接近黑色的外观。

天空颜色也会变化。地球天空呈蓝色，主要因为瑞利散射对短波光更强，其散射强度近似满足 。但如果母恒星本身蓝光很少，天空就未必像地球一样蓝，再加上不同的大气成分、云层和气溶胶，天空可能呈橙色、红褐色甚至其他色调。

因此，一个外星世界完全可能出现这样的景象：偏红的恒星、橙褐色的天空，以及并非绿色的“森林”。这些颜色是恒星光谱、大气过滤和生命适应共同塑造出来的结果。

by 枕玉听雨

Q.E.D.
Q9 为什么我头发很多白的，胡子却没有白？

by 匿名

答：

毛发有没有颜色，主要靠毛囊里那群黑色素细胞往里灌颜料。岁数上来，这些细胞被氧化损伤一点点磨没，而给它们当后备的干细胞也跟不上，因此新长出来的毛发没了颜料，就白了。

我们身上不同地方的毛囊，各带一拨自己的黑色素细胞，衰老的时间彼此并不同步。 医学上早就注意到了这种区域差异：同一个人，太阳穴往往比头顶先白，头顶又比后脑勺先白，头上的头发常常比胡子先白。我们这情况，就是生物钟恰好这么排的。胡须和头皮本来就是两类毛囊（胡须那类是青春期后受睾酮调控才长起来的），各自带着独立的黑色素细胞群体，老化快慢各走各的。所以就是不同毛囊按各自的进度表在退休。

by 柠七

Q.E.D.
Q10 打篮球的时候球鞋和地板为什么会有尖锐的响声？

by 我智力有问题

答：

球鞋和地板擦出尖锐响声的过程中发生了快速的“粘住—滑开—再粘住”的循环，这是一个由摩擦、材料弹性和振动共同造成的声音现象。

在打球过程中，当出现急停、变向等动作时，鞋底和地板之间主要经历的是一种叫黏滑（stick-slip）的运动过程。简单来说，运动员突然刹车或改变方向时，鞋底橡胶因为摩擦力作用，短暂停留在地板上。随着身体惯性继续移动，鞋底橡胶发生微小形变。当积累的力超过静摩擦极限时，鞋底突然滑动并释放能量，接着又重新抓住地板。这个过程在短时间内重复多次，类似拉一根橡皮筋后突然松手，会产生快速振动。这些高频振动通过空气传播，就形成了尖锐的声音。此外，橡胶既有弹性，又有一定的黏性，受到压力时会变形，松开后会迅速恢复，而恢复过程中会产生振动。这种快速恢复产生的振动频率较高，也会让声音听起来比较尖。

篮球鞋底还有大量沟槽和纹路。当鞋底被压在地板上时，凸起的橡胶块受到挤压，转向时这些橡胶块发生弯曲，释放时会产生周期性振动。这些小范围的振动叠加起来，就增强了声音的响度。

参考资料：

1. BOWDEN F P, TABOR D. The Friction and Lubrication of Solids[M]. Oxford: Oxford University Press, 2001.

2. MAEGAWA S. Mechanism of Friction-induced Vibration of Rubber Materials and its Countermeasures[J]. NIPPON GOMU KYOKAISHI, 2023,96(10):237-242.

3. AKAY A. Acoustics of friction[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2002,111(4):1525-1548.

by 持之以恒

Q.E.D.
Q11 俗话说，“响屁不臭，臭屁不响”，有科学道理吗？

by 匿名

答：

"臭屁不响，响屁不臭" 有一定的科学依据，但并不绝对，现实中完全可能出现 "又臭又响" 的屁。要理解这句话，需要分别看“响度”、“臭味”由什么决定：

我们首先分析响屁，屁的响度需要取决于气体通过肛门时的“流速”，以及肛门括约肌的振动幅度，气体流速越快，气压越大，那么最终屁的响度也越大。而导致屁产生巨大声响需要两个条件：

（1）吞入了过多空气。一般是吃饭过快、边说话边吃饭以及喝碳酸饮料等行为会让大量空气进入消化道。

（2）肠道内部细菌的发酵。肠道内部的碳水化合物会被菌群分解产生大量的氢气、二氧化碳甚至甲烷，这些气体在肠道内部积聚后会导致内部的气压升高，导致气体排出时流速快、冲劲大，使得括约肌发生大幅度的振动，进而发出明显的响声。

值得注意的是，对于这种摄入了大量气体而产生的响屁，其主要成分是氮气、氢气、二氧化碳等“无臭气体”，它们使得真正产生臭味的含硫化合物等微量成分的浓度被显著冲淡，甚至可能降到人的嗅觉阈值以下，所以一些响屁闻起来不怎么臭 —— 这正是 "响屁不臭" 说法的来源。

然后我们进一步分析一下臭屁。臭屁之所以让人觉得臭主要是由于其内部的硫化氢、甲硫醇、二甲基硫醚等含硫化合物，这些物质是肠道菌群分解蛋白质时的产物，浓度极低就能被闻到（硫化氢的嗅觉阈值约 0.0005 ppm），特别是在人体摄入过多蛋白质，或者菌群失衡时，屁的气味会更加浓烈。这一类的屁属于人体内正常的分解，相对于一次摄入大量空气而产生的响屁，其气流量小，流速平缓，引起的括约肌的振动较弱，因此声音很小，于是就有了“臭屁不响”的说法。

不过值得注意的是，上述两种情况并不是相互排斥的，比如说一个人同时摄入了大量蛋白质，并且喝了很多汽水饮料而吞入了大量空气，那么肠道内产生的气体既会包含高浓度的含硫臭味物质而变得具有刺激性气体，也会由于大量氢气、二氧化碳的存在而导致高压而导致括约肌大幅度振动，最终让自己的屁变得又臭又响。

参考资料：

1. LEVITT M D, BOND J H. Flatulence[J]. Annual Review of Medicine, 1980, 31: 127-137

2. SUAREZ F L, SPRINGFIELD J, LEVITT M D. Identification of gases responsible for the odour of human flatus and evaluation of a device purported to reduce this odour[J]. Gut, 1998, 43(1): 100-104

by 王梓豪

Q.E.D.

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