物理學家在12年前發現了一個反常現象,看完你會改變尿尿的方式

撰文 七君

俗話說,水往低處流。可是12年前,有人發現了水可以逆流而上。

不信,大家看這裡——

紫色的顆粒沿著水流向上爬升

看到木有,水面的粉末隨著逆行的水流回到了上方的容器里。可以,這很信條。

所以,這水是看了諾蘭新片了嗎?倒不是,這個現象是在2008年金融危機爆炸那年被一個叫做 S. Bianchini 的物理系少年發現的,距今已有12年。

阿根廷的傳統馬黛茶

當時,來自阿根廷的 Bianchini 正在泡阿根廷的傳統馬黛茶,馬黛茶是用巴拉圭冬青葉子製作的,茶葉是粉末狀的。當他倒水的時候,猛地發現茶葉竟然倒行逆施,自動飄到了茶壺裡。

倒水時,如果壺嘴和下方液面距離很近,茶葉就會逆流而上,來到水壺裡。

Bianchini 的導師也沒見過這種操作,於是後來 Bianchini 同學用這個做了畢業論文,然後順利畢業了。

在論文中,他用馬黛茶葉還有粉筆末在實驗條件下重複了上述現象。Bianchini 認為,這個現象並不是咱們在生活中常見的毛細現象導致的,而是由於馬拉高尼效應。

馬拉高尼效應咱們以前也講過,表面張力不同的液體之間形成水流。咱們平時看到的酒杯掛壁,還有風油精小船都是馬拉高尼效應導致的。

馬拉高尼效應還可以用來讓液滴自動解迷宮,超有趣的,回顧點這裡。

Bianchini 通過實驗發現,馬黛茶還有粉筆末可以減少下方液體的表面張力,因此上游的水表面張力大,下游的水表面張力小。而表面張力大的地方可以把表面張力小的地方的液體吸過去,形成馬拉高尼流,所以水才可以倒流。

這個反直覺的物理現象說明,上游的水不一定比下游的乾淨,因為下游可以反過來污染上游。因此後來這個現象就被取名為逆流污染(upstream contamination)。

過了幾年,羅格斯大學的工程學教授 Troy Shinbrot 對這個現象產生了興趣,於是找了個學生和 Bianchini 用更複雜的實驗再次驗證了一番,並把結果發表在了2013年的Proceedings of the Royal Society A上。

Shinbrot 他們用馬黛茶葉還有粉筆末發現,逆流污染現象確實存在,液體可以向上攀升1厘米的高度。哪怕上方滴水處寬度達到幾米,這個現象依舊存在,冷水和滾水同樣會出現逆流污染。

逆流污染

Shinbrot 他們也再次驗證了表面張力在逆流污染中的作用。經過測量,他們發現加了粉筆末以後,水的表面張力減小至原來的一半,加了茶葉以後減小至原來的1/3。

經過計算,加入粉筆末後,減少的表面張力可以給漂浮在水上的粉末提供20倍的重力加速度,推動它逆流而上。

逆流污染

那麼問題來了,如果這個現象真的是表面張力差導致的,那麼消除上游和下游的表面張力差,水是不是就無法倒流了呢?

他們也測試了一下。他們在上游的水中加入了表面活性劑苯扎氯銨,減少上游的表面張力。果然,這麼幹了之後水就不會倒流了。

實際上,2002年麻省理工學院(MIT)的應用數學教授 John W M Bush 和同事也發現,如果在下方水池裡加入表面活性劑,那麼下方的水能夠沿著瀑布倒流,逆行的高度最高可達到2厘米。

了解了這個現象後,相信各位弟弟都不敢在小便池裡近距離滋尿了。

當然對於要做實驗的研究者還有製藥企業來說,這個現象還是很煩人的,這意味著用滴管的時候,下面的物質可能反過來污染滴管里的液體。

 

你以為馬拉高尼效應可以讓水流逆行已經很秀了么?在1992年,科學家們還注意到馬拉高尼效應的另一個反常識的神奇技能。

咱們知道,水滴落到杯子里,會和杯子里的水融合在一起,這在物理學上叫做合併(coalesce)。

我們之前介紹過,通過振動液面,可以讓液滴長時間不合併(點我看)。

那年,國際航天任務 Spacelab mission D2 的宇航員以及義大利那不勒斯大學的物理學家 Rodolfo Monti 在 Onset 實驗中觀察到讓兩個液滴不融合的方法,那就是製造巨大的溫差。

這個神奇的現象引起了不少物理學家的興趣,他們認為,這就是馬拉高尼效應作怪。

原來,除了上面講到的表面張力差(表面張力梯度),溫差(溫度梯度)也可以促成馬拉高尼效應,因為溫度越高,表面張力越小。

Monti 後來和同事們做了這樣一種裝置,上面的儀器懸掛著一滴液體,下面是同樣液體形成的水平液面。

 

他們發現,如果溫差很大,那麼上面這滴液體死活不會和下面的液面融合。

更有趣的是,只要維持這樣的溫差,哪怕強行把液滴按到下面的液面以下,它也不願意融合,把自己活活扭成了氣球。

但是,如果兩個液體的溫度完全一致,它們在幾毫秒內就會融合。

那麼,馬拉高尼流是如何阻止液滴合併的呢?

這是因為上下液體之間存在溫差,因此上面的液滴和下面的液面中都存在馬拉高尼流。而這兩股對沖的馬拉高尼流攪動周圍氣體,使液體之間存在一層輕薄無感的氣體,正是這層氣體阻止了上下液體的合併。這個過程簡而言之就是「冷朝熱風」。

換成兩滴液滴也是一樣,兩滴溫差很大的硅油無法合併——

這個現象在焊接和製造合金時有很大的應用,因為在高溫下熔化的金屬也會遇到類似的問題。當然,在冬天冰冷的廁所里,大家也能看到帶著餘溫的廢液在尿池中最後的倔強。

懂了,高拉自來水來自馬拉高。

來一波三連吧!

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