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困扰了达芬奇多年的问题:水龙头的水往下流时为什么不能集中在一起?

水躍現象, 指的是當高流速的超臨界流進入低流速的亞臨界流中, 流體的速度突然變慢, 流體部分的動能被紊流消散, 隨之部分動能轉換為位能, 造成液面明顯變高。 一般來講, 這一現象常出現在像河或泄洪道的明渠中, 此外, 還有我們日常生活中所使用的水龍頭。

只要打開水龍頭, 我們就會發現水源在往水槽流下時, 水槽的底部以水流沖擊的位置為圓心, 落下的水就會向周邊散去, 只會看見一層薄薄的水。 而與之相反的是, 在圓心邊緣處的液面在明顯的升高, 但它們卻沒有辦法過填充中間的凹陷。

起初, 這一現象發現于文藝復興時期, 當時的人們對這一現象產生了極大的興趣, 但終究都是沒有解開, 而半個世紀后, 無數的科學家還是沒有答案, 他們也對此感到困惑不已。 就連500年前的達芬奇也將其記錄到筆記本中, 但他也只是處于哲學上的考慮, 并沒有做出更多的解釋。

1914年, 一位名叫John William的物理學家在他自己所寫的“鉆孔和液體沖擊波”中提出一個理論。 在這一理論中, 他考慮了粘度、動能以及勢能等因素, 另一方面, John William還提出“表面張力”是當中必不可少的因素。 但因他認為可以通過增加流量使其影響得到最小化, 因而也就放棄“表面張力”這一觀點, 而之后的研究人員也把“表面張力”看做是一個微不足道的因素。

直到這一世紀, 科學家們指出“水躍現象”中的重力影響只是微不足道, 表面張力才是關鍵。 而研究人員也表示, 在這一理論的指導下, 不僅將大大減少工業用水, 還能發明出清潔汽車或工廠設備的全新技術。

至此, 人類離水的本質又更近了一步。

筆者:三體—小敏

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