|
别催了别催了 上周六那么精彩的科学日还不够看吗？ （错过的记得蹲回放哦） 最近用筷子在水瓶上方变出水球瀑布的挑战 大家试了吗？
听说有点难？ 但物理人才不会屈服，今天我们就来一探究竟！ 实验器材 所标杯、大小形状不一的瓶子、筷子
首先我们来观察一下 在水龙头下方放置一个饮料瓶 逐渐开大水龙头并观察水流
最开始水流还是贴着瓶壁下流 当水的流量大过某一个阈值的时候 原本沿着瓶盖下流的水开始向外喷溅 呈“水球”状 不过当水流再增大时由于水流的不稳定 湍流现象较为严重 原本光滑的水球便被破坏 我们在水流流速不同的时候 尝试用筷子拨动水流看看： 当水流较小时 即使筷子放在瓶盖的边缘时 也只能激起细小水流
水流稍大些的时候 用筷子沿瓶盖壁向上划过 可以看到“水球瓣”可以存在短时间 直到筷子拿开时破碎
在此基础上只要使水流再稍微大些 “水球瓣”便可以稳定形成
而如果水流不再稳定 那么有起伏的“水球”会持续地在瓶盖上溅起 即便用手指去试图“驯服”水流 这种不稳定性使“贴壁”的状态无法维持
所以我们可以大致判断 如果大家在家里做不到网上流传的那样 在“贴壁”和“水球”状态之间切换的话 很可能是因为水龙头和瓶盖的配置原因 导致水龙头保持水流平稳的最大流量 并未超过使瓶盖边缘激起稳定球状水流的阈值 不过我们可以来探究决定这两个状态的其他因素： 比如如果我们换用一个面积比较小的瓶盖 我们发现在更小的水流下 便可以做到两种状态的稳定切换：
或者如果换一个更圆润的瓶盖 那么同样也可以减小对水流的需求：
而且圆润的瓶盖以及洗发液瓶嘴本身的倾斜给了我们一定的启示 如果将水瓶倾斜放置 同样可以降低对水流的要求 甚至可以在原本不能激起“水球”的瓶盖上变出“水球”
我们可以将以上两点结合起来试试：
果然水球由小变大的过程变得更为丝滑 水球也更为稳定 水流贴着瓶盖壁或是沿着瓶盖的弧面切线流出形成水球，涉及到的流体力学知识相对复杂，网上也有一些视频和文章做出了详细的解析。不过这其中较为显著的一个因素就是水与瓶盖壁之间的康达效应，即流体的粘性使水在一定程度上可以顺着物体的表面流动。 而与康达效应所竞争的就是水流本身的惯性，随着水流增大，瓶盖末端水流流速与单位时间内流出的质量均有增加，水向外的动量提高，使康达效应在水流过瓶盖边缘的时间内难以提供足够的冲量使水流弯曲，水便会沿着瓶盖边缘的某处切线溅出。 在合适的水流状态下，虽然康达效应本身不足以克服水流的惯性，但如果水流一开始已经处于“贴壁”状态，那么大气压会成为另一个帮手：此时如果水流想要向外溅出就必然会在瓶壁内产生短暂的真空，大气压压住了水流，于是“贴壁”状态变成了一个亚稳态。此时如果使用筷子去拨动水流，让空气进入水流内，那么水流便可以顺利地溅出，形成“水球”。 提高瓶盖的弧度或是斜放水瓶，相当于提高了水流贴壁所需要偏转的总弧度，水流需要有更大的动量变化才能贴着瓶壁流动，所以进入“水球”状态的难度便降低了。而减小瓶盖面积，可以使瓶盖边缘单位长度内的流量增加，同样更有利于进入“水球”状态。 
|
|
|
