用物理学教你如何拉屎的时候压水花 | 正经玩

2023-06-11 00:21:18 来源:观察网

原创:中科院物理所

小编在开会的时候听到抱怨


(资料图)

“我蹲马桶的时候又被水花打湿了屁股。”

“是呀,是呀,我也是好烦啊”

难道这个问题不能解决吗?

针对这个问题

我们正经玩团队立马进行了“拉翔”验证!

实验器材

蜡烛,小石板,乒乓球,水箱。(实验材料的形状最好不同)

实验过程

第一步:

让蜡烛模拟“翔”做自由落体运动落入水中,观察水花。

是不是还挺明显。

第二步:

让小石板也做自由落体运动落入水中,观察水花。

这个水花更加明显。

第三步:

让比较轻的乒乓球落入水中,观察水花。

因为乒乓球太轻,所以并没有溅起太多水花。

第四步:

将小石板和乒乓球摞在一起,然后一起做自由落体运动落入水中,观察。

动图四可以看到,轻的乒乓球被水花一下子抬了非常高的高度。

如果把小石板和乒乓球当成一个重翔一个轻翔,而你恰好排出了这样的形状,那么轻翔会溅到你的[······]

原理解说

这种弹射起来的水流就是沃辛顿射流。当一个物体进入液体时,会向下冲出一个空腔;空腔很快就会发生崩溃,由周围液体填充,填充的液体会向上反冲,形成射流

物体进入液体时形成的空腔 | 图片来源:哔哩哔哩@冷科普

沃辛顿射流是一种广泛存在于自然界与人们生活中的现象,除了本文开头提到的“蹲坑难题”之外,像是跳水运动讲究的“压水花“其实就是在想办法减小沃辛顿射流;此外,如果我们仔细观察陨石坑,会发现中心会有凸起,这也是一种沃辛顿射流现象。

中心带有凸起的陨石坑照片| 图片来源:哔哩哔哩@冷科普

那么,我们该如何减小沃辛顿射流影响,享受一个不被水花打扰的蹲坑体验呢?

这里有几种方法。首先产生沃辛顿射流需要物体进入水中时有一定的初速度,我们只需要减小这个初速度,就能避免水花的产生,所以我们需要拉出一整个长条的便便不要中断,让便便一点一点进入水中就可以避免水花的产生;其次从实验来看,面积更大的大理石产生的水花比细长的蜡烛要大得多,所以便便越细,越不容易溅起水花;我们还可以从跳水运动员身上找灵感,运动员们为了减小水花,入水时的手势很讲究,整个身体如同尖锥一样,也就是说,要想水花小,便便的形状也很重要尖锥形的最佳;最后,根据实验研究,当物体表面附有疏水油膜时,在水中会产生更大的空腔,产生更大的沃辛顿射流,所以减少便便中油的含量也对减小水花很有帮助。

参考资料:

[1] 有趣的“沃辛顿射流”,抱球跳水能弹几十米高,你知道原理吗?_哔哩哔哩_bilibili

[2] Jamali, M. & Rostamijavanani, A. & Nouri, N. & Navidbakhsh, M.. (2020). An experimental study of cavity and Worthington jet formations caused by a falling sphere into an oil film on water. Applied Ocean Research.

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