操控水火的文丘里效應(yīng)

人們搭乘高鐵時，為什么不能離軌道太近？加油站的工作人員如何精準判斷油箱是否加滿，加油機的“自動跳槍”又是如何實現(xiàn)的？當(dāng)房屋起火之時，為何消防員手中的高壓水槍不直接對準火源，卻選擇在窗口處反向噴射空氣？再將視線拉到我們身邊更近的地方，心愛的香水瓶、澆花的噴水壺，它們究竟是如何將液體轉(zhuǎn)化為細膩霧狀的呢？

悄悄告訴你，這些奇妙的現(xiàn)象有一個名字——文丘里效應(yīng)。

意大利物理學(xué)家文丘里發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象：當(dāng)高速流動的流體通過一個縮小的通道時，流速會顯著增加，這就是著名的文丘里效應(yīng)。想象在一個炎熱的午后，你在花園里接通水管給草地澆水。這時，高速流動的水穿過曲折的管道，從水泵處到達你的身邊。若你玩心大起，捏緊水管的出水口，你會發(fā)現(xiàn)管道因擠壓而變形。此時的出水口，也就是通流橫截面的面積減小，水流的動態(tài)壓力便跟著急劇上升，水流速度驟然加快，能比之前噴射得更高、更遠。而且，隨著你的手對管道的擠壓，出水口被擠得越扁、越小，水的流速會越快。

這不僅僅是個頑皮的游戲。根據(jù)伯努利定律，流速增加會伴隨流體壓力的降低，而這種低壓又會產(chǎn)生吸附作用。例如，當(dāng)你去加油站為車子加油，工作人員通常將一柄加油槍插入油箱口處。此時，加油槍后面拖著的“尾巴”是一條輸油管道，它使其中的汽油成為受限流體，高速流動的汽油通過油槍抵達油箱。為了平衡汽車油箱內(nèi)外部的壓力，油槍的槍管中會設(shè)計一條輸氣管道，聯(lián)通槍管前端及油槍手柄。當(dāng)汽油流經(jīng)油槍內(nèi)部時，因噴口的縮小而被噴射出來，就像花園澆水的水管一樣。此時，噴口后側(cè)則會產(chǎn)生一個低壓區(qū)，低壓將油箱內(nèi)的空氣吸附住，通過輸氣管道抽到油箱外。一旦油箱加滿，油箱內(nèi)液面上升，堵住槍管里的輸氣管道進氣口，油槍內(nèi)部的一系列機械結(jié)構(gòu)則會發(fā)生反應(yīng)，自動停止噴注。

同理，當(dāng)房屋內(nèi)部起火之時，消防員通常會將高壓水槍舉至窗口處，反向?qū)χ諝鈬娚?，借助流體高速運動時產(chǎn)生的低壓，抽吸火場內(nèi)部的空氣?；鹦枰鯕鈦砭S持燃燒，而切斷氧氣供應(yīng)，則可以有效阻止火勢繼續(xù)蔓延。正如同廚房炒菜鍋著火時，人們通常選擇蓋上鍋蓋、覆蓋濕抹布等手段，讓火焰“窒息”一樣。這種對于文丘里效應(yīng)的科學(xué)運用，也是一種阻隔空氣、阻隔氧氣的絕妙手段。

除此之外，噴香水或是使用園藝噴壺為盆栽澆水，同樣與文丘里效應(yīng)有關(guān)。你會發(fā)現(xiàn)，噴霧器的內(nèi)部通常有一個小孔，當(dāng)你按下噴嘴，這個小孔形的設(shè)計可使空氣自由通入。在這個狹小的通道中，空氣流速增加，壓力降低，低壓將液體吸附住并拉入噴嘴，液體與高速氣流相撞，被瞬間撕裂成細密的霧狀液滴，然后噴灑出來。有時連續(xù)按壓后，突然發(fā)現(xiàn)噴嘴短暫“失靈”，幾秒鐘后空氣進入，它又自然恢復(fù)，這同樣證實了文丘里效應(yīng)的存在。

日月逾邁，光陰荏苒，文丘里效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)迄今已有數(shù)個世紀，而基于它設(shè)計的設(shè)備、設(shè)施仍舊應(yīng)用在我們的生活里，從大型工業(yè)設(shè)備到家庭日常用具。物理學(xué)距離我們從不遙遠，文丘里效應(yīng)也不僅僅是課本里冷冰冰的概念，而是真真切切參與人類發(fā)展的細枝末節(jié)，陪伴在我們的身邊。