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如何優雅不濺水花?

圖/小格

 

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文/穿山甲

人有三急,出門在外想上廁所,總是急著找尋公廁。但畢竟不是在家,沒有辦法知道廁所乾不乾淨。在解放的同時必須注意,會不會被便便濺起的水花滴到屁股。先不論容不容易致病,光是想到水滴的來源就會覺得不舒服。這個水花噴濺的現象,其實與跳水比賽有著密切的關係,我們知道跳水比賽的評分標準,是以動作的困難度、美感、姿勢與完成度有關,選手入水時濺起的水花大小,更是關鍵的評分標準。想減少便便或跳水濺起的水花,就不得不談到「沃辛頓射流」(Worthington Jet)這個現象。

氣柱坍塌 噴流射出

沃辛頓射流是一種流體力學現象,當一個固體或液滴,甚至是跳水運動員,以一定速度衝擊液體表面時,會在水面擠出一個向下凹陷的氣柱。由於表面張力會試圖縮小液體的表面積,且液體的重力與內部壓力也會試圖恢復平衡,這個氣柱會迅速塌陷回填。液體回填時會在中心相互撞擊,並轉化為向上的動能,從而將液體往上擠壓噴射出一道細長且高聳的水柱。

這個射流的高度與形狀,與許多因素有關。首先是物體撞擊的速度愈快,產生的凹陷愈深,射流就會愈高;其次是物體的形狀,譬如尖頭形狀會比平底產生更明顯的射流;如果物體的表面是親水性,則落入水中時,表面容易迅速被水包覆,從而讓產生的氣柱較小,而疏水性表面,在入水後表面會形成一層薄薄的空氣層將水隔開,這使得產生的氣柱較大,濺起的水花也自然變大;還有液體的性質,包括黏度、表面張力與密度等,都會影響射流的強度與持續時間,可以在水面添加界面活性劑,來改變表面張力的梯度,削弱反彈的能量;物體衝擊的高度與入射角度也需要一併考量。

以便便為例,如果想要減少便便噴濺的水花,我們可以在水面鋪一張衛生紙改變液體的表面張力,衛生紙不僅可以降低便便落下時的衝擊力,也可以減少氣柱的形成,在液體回填時更可以緩衝撞擊的力道,降低噴濺的現象。此外,便便的橫截面過大,也會增加噴濺的水花。

水花控制 殊途同歸

便便落下的角度也很重要,如果傾斜著落入水面,會比垂直的方式形成更大的橫截面,將激起更多的水花。

同樣地,跳水運動員在入水瞬間最好保持身體垂直,讓入水的截面積最小。這其實非常困難,因為跳水運動員必須完成動作,身體會在空中翻好幾圈,旋轉的慣性將會增加垂直入水的難度。入水時通常會將手掌平攤與水面接觸,這個跟直覺上雙手合掌指尖入水的想法不同。因為指尖入水時,身體前方會呈現類似錐形,水被錐形的斜面擠壓後,會朝阻力最小也就是斜面方向移動,進而將水斜向擠出水平面。若以手掌平攤入水,會有一個橫截面,這個橫截面將水往下壓,阻力最小的方向就會是水平方向,這些水朝橫向移動受到周圍水的影響而無法飛濺出來,水花自然就會變小。

沃辛頓射流是日常生活中常見的現象,例如雨滴落入水面或者咖啡機沖泡時的動作。仔細觀察就會發現這些看似無關的自然行為,都會產生相似的結果。理解沃辛頓射流的形成機制對於許多應用都很有意義,例如可以改善生物3D列印、塗層技術以及微流道藥物輸送的效率等,甚至能設計出更節能的控制方法。

17 12 2025

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