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      再冷門的問題也有最熱鬧的答案

      2013-05-14 13:11:16科學(xué)松鼠會和它的朋友們
      讀者·校園版 2013年4期
      關(guān)鍵詞:成正比水餃雷諾數(shù)

      我們都曾夢想過成為萬事通,就像機(jī)器貓的口袋,能應(yīng)付朋友提出的所有問題;我們也曾時(shí)不時(shí)冒出古怪的問題,它們之中絕大多數(shù)都未獲解答便隨著少年或成年的夢想慢慢熄滅。由于個(gè)體知識的局限,誰都不可能真正“包治所有疑難雜癥”,然而,在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,當(dāng)大家匯聚在一起,真有可能無所不能??茖W(xué)松鼠會和它的朋友們一起打造了一位“問不倒先生”Dr.You。別小看它,它決不負(fù)責(zé)回答“人一共有幾顆牙齒”這樣的簡單問題,也不回答“怎么樣動(dòng)心臟手術(shù)”這樣的專業(yè)問題,更不會回答“打哈欠會傳染嗎”這樣被解答過無數(shù)次的陳舊問題,它要解決的,是來自我們身處的這個(gè)時(shí)空中的所有讓人頭疼的問題。

      擠出來的沐浴露為何會打圈圈?

      “Ziplb”的熱鬧答案:

      其實(shí)這是一種低雷諾數(shù)流動(dòng)的典型現(xiàn)象,雷諾數(shù)即流體慣性力與黏性力之比,雷諾數(shù)越小,流體中黏性力的作用也就越大。在倒洗發(fā)水等高黏性的流體時(shí),由于黏性力的作用,每部分流體微團(tuán)都會受到相鄰流體微團(tuán)的“拉扯”與“牽制”作用,在靠近地面堆積時(shí),自然也會受到已堆積流體的“拉扯”作用,而慣性力無法抵消這種黏性力的作用,“拉扯”的合力形成了“旋轉(zhuǎn)堆積”的現(xiàn)象。這樣就容易理解,倒水的時(shí)候?yàn)槭裁床粫霈F(xiàn)這種現(xiàn)象了,因?yàn)榇藭r(shí)為高雷諾數(shù)流動(dòng),流體慣性力的作用大于黏性力的作用,足夠抵消已到達(dá)地面流體的“拉扯”,故此時(shí)流體流下時(shí)沿慣性力的方向垂直下落。

      為什么杯子里面的水總也倒不干凈?

      “擦擦嘴”的熱鬧答案:

      水的黏附,有分子間相互作用(范德華力)的影響,還要看分子或者原子之間相互接觸的電子云的“人際關(guān)系”。一個(gè)東西內(nèi)部抱得緊緊的,遇上別的東西有可能排斥,也有可能“見色忘友”地?fù)屩ヰと思摇?/p>

      這個(gè)問題可以簡化成兩個(gè)相對獨(dú)立的小問題:

      1.絕大部分杯子里的液體是否會流出來?

      2.殘留的小液珠最終是否可以流下來?

      首先,讓我們來考慮前面這個(gè)簡單點(diǎn)的問題。先確定一個(gè)隔離對象——這里我們確定為“杯子里的絕大部分液體”,這個(gè)對象內(nèi)部即使“大鬧天宮”,也不會影響它和外界的關(guān)系。再來看外部:它受到重力作用和“杯子分子”的引力,對于蜂蜜、糨糊之類的黏稠液體,相當(dāng)一部分會被杯子“挽留”下來,這樣就不能完成液體“大逃亡”的任務(wù)了。

      其次,讓我們來解決殘留的頑固液珠的問題。把附著在杯子底面的液珠作為研究對象,我們可以發(fā)現(xiàn)液珠受到了重力、表面張力、杯子底部與液體分子之間的引力作用。假設(shè)液珠達(dá)到重力平衡,可以靜止地附著在開口向下的杯子底部,這種狀態(tài)下液珠內(nèi)部沒有流動(dòng),內(nèi)部成分之間的互相黏糊程度(簡稱黏度)就不會參與力平衡。多說一句,向下的重力和液珠的體積成正比(與半徑的立方成正比),向上的固體與液體之間的分子引力與接觸表面積成正比(與半徑的平方成正比),向上的表面張力的合力與液珠和杯底接觸面的周長成正比(與半徑本身成正比),所以當(dāng)液珠增大的時(shí)候,向下的重力增長的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快過向上的力(比如液珠的半徑加倍,重力就會變?yōu)橐郧暗?倍,而分子引力和表面張力變?yōu)橐郧暗?倍和2倍)。因此,液珠上的力將不再平衡,最終被重力硬生生拖了出去。

      為什么湯圓可以邊煮邊翻跟頭,而餃子卻不行?

      “沐右”的熱鬧答案:

      中國有很多地區(qū)的習(xí)俗是新年吃水餃,正月十五煮湯圓。煮湯圓的時(shí)候,可以看到湯圓在水里不停地翻身打滾,但煮水餃時(shí)水餃卻安靜得多,基本上不動(dòng),只是偶爾會翻個(gè)個(gè)兒。這是為什么呢?

      對于一個(gè)漂浮在水上或者是懸浮在水中的物體來說,重心的位置越高,物體本身的重力勢能就越大,因此,這類物體總是傾向于讓重心的位置更低一些。水面上的籃球很容易就可以讓它轉(zhuǎn)動(dòng),但扁平的小船即使在一定的風(fēng)浪條件下也不會翻。煮湯圓或者水餃的時(shí)候,鍋里的開水咕嘟咕嘟沸騰,不斷地給湯圓或水餃提供隨機(jī)的力矩,只要它們的重心位置利于轉(zhuǎn)動(dòng),很容易就會翻個(gè)兒。

      現(xiàn)在的問題就是,湯圓和水餃的重心位置究竟如何。讓我們看看湯圓和餃子的結(jié)構(gòu),湯圓是一個(gè)球形結(jié)構(gòu),有著很高的對稱性。這使得湯圓在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候,重心沒有任何變化,一個(gè)很小的力矩就會讓它轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

      餃子復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定了它的物質(zhì)分布不均勻,重心的位置也相對靠近有餡的一側(cè)。單個(gè)水餃在鍋里的時(shí)候,會自動(dòng)選擇重心最低的位置。這樣,要讓水餃翻轉(zhuǎn),勢必要提升餃子的重心,但那樣需要一個(gè)很大的力矩,即使轉(zhuǎn)上去了也是一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)。并且水餃的形狀使得它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要排開一定的水,這使得它在水中翻滾就更加困難了。

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