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再冷门的问题也有最热闹的答案

2013-05-14科学松鼠会和它的朋友们

读者·校园版 2013年4期
关键词:黏性水饺流体

我们都曾梦想过成为万事通,就像机器猫的口袋,能应付朋友提出的所有问题;我们也曾时不时冒出古怪的问题,它们之中绝大多数都未获解答便随着少年或成年的梦想慢慢熄灭。由于个体知识的局限,谁都不可能真正“包治所有疑难杂症”,然而,在互联网时代,当大家汇聚在一起,真有可能无所不能。科学松鼠会和它的朋友们一起打造了一位“问不倒先生”Dr.You。别小看它,它决不负责回答“人一共有几颗牙齿”这样的简单问题,也不回答“怎么样动心脏手术”这样的专业问题,更不会回答“打哈欠会传染吗”这样被解答过无数次的陈旧问题,它要解决的,是来自我们身处的这个时空中的所有让人头疼的问题。

挤出来的沐浴露为何会打圈圈?

“Ziplb”的热闹答案:

其实这是一种低雷诺数流动的典型现象,雷诺数即流体惯性力与黏性力之比,雷诺数越小,流体中黏性力的作用也就越大。在倒洗发水等高黏性的流体时,由于黏性力的作用,每部分流体微团都会受到相邻流体微团的“拉扯”与“牵制”作用,在靠近地面堆积时,自然也会受到已堆积流体的“拉扯”作用,而惯性力无法抵消这种黏性力的作用,“拉扯”的合力形成了“旋转堆积”的现象。这样就容易理解,倒水的时候为什么不会出现这种现象了,因为此时为高雷诺数流动,流体惯性力的作用大于黏性力的作用,足够抵消已到达地面流体的“拉扯”,故此时流体流下时沿惯性力的方向垂直下落。

为什么杯子里面的水总也倒不干净?

“擦擦嘴”的热闹答案:

水的黏附,有分子间相互作用(范德华力)的影响,还要看分子或者原子之间相互接触的电子云的“人际关系”。一个东西内部抱得紧紧的,遇上别的东西有可能排斥,也有可能“见色忘友”地抢着去黏人家。

这个问题可以简化成两个相对独立的小问题:

1.绝大部分杯子里的液体是否会流出来?

2.残留的小液珠最终是否可以流下来?

首先,让我们来考虑前面这个简单点的问题。先确定一个隔离对象——这里我们确定为“杯子里的绝大部分液体”,这个对象内部即使“大闹天宫”,也不会影响它和外界的关系。再来看外部:它受到重力作用和“杯子分子”的引力,对于蜂蜜、糨糊之类的黏稠液体,相当一部分会被杯子“挽留”下来,这样就不能完成液体“大逃亡”的任务了。

其次,让我们来解决残留的顽固液珠的问题。把附着在杯子底面的液珠作为研究对象,我们可以发现液珠受到了重力、表面张力、杯子底部与液体分子之间的引力作用。假设液珠达到重力平衡,可以静止地附着在开口向下的杯子底部,这种状态下液珠内部没有流动,内部成分之间的互相黏糊程度(简称黏度)就不会参与力平衡。多说一句,向下的重力和液珠的体积成正比(与半径的立方成正比),向上的固体与液体之间的分子引力与接触表面积成正比(与半径的平方成正比),向上的表面张力的合力与液珠和杯底接触面的周长成正比(与半径本身成正比),所以当液珠增大的时候,向下的重力增长的速度远远快过向上的力(比如液珠的半径加倍,重力就会变为以前的8倍,而分子引力和表面张力变为以前的4倍和2倍)。因此,液珠上的力将不再平衡,最终被重力硬生生拖了出去。

为什么汤圆可以边煮边翻跟头,而饺子却不行?

“沐右”的热闹答案:

中国有很多地区的习俗是新年吃水饺,正月十五煮汤圆。煮汤圆的时候,可以看到汤圆在水里不停地翻身打滚,但煮水饺时水饺却安静得多,基本上不动,只是偶尔会翻个个儿。这是为什么呢?

对于一个漂浮在水上或者是悬浮在水中的物体来说,重心的位置越高,物体本身的重力势能就越大,因此,这类物体总是倾向于让重心的位置更低一些。水面上的篮球很容易就可以让它转动,但扁平的小船即使在一定的风浪条件下也不会翻。煮汤圆或者水饺的时候,锅里的开水咕嘟咕嘟沸腾,不断地给汤圆或水饺提供随机的力矩,只要它们的重心位置利于转动,很容易就会翻个儿。

现在的问题就是,汤圆和水饺的重心位置究竟如何。让我们看看汤圆和饺子的结构,汤圆是一个球形结构,有着很高的对称性。这使得汤圆在转动的时候,重心没有任何变化,一个很小的力矩就会让它转动起来。

饺子复杂的结构决定了它的物质分布不均匀,重心的位置也相对靠近有馅的一侧。单个水饺在锅里的时候,会自动选择重心最低的位置。这样,要让水饺翻转,势必要提升饺子的重心,但那样需要一个很大的力矩,即使转上去了也是一个不稳定的状态。并且水饺的形状使得它转动时需要排开一定的水,这使得它在水中翻滚就更加困难了。

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