當(dāng)灑水器變吸水器會(huì)發(fā)生什么事？

你在公園的草坪上見(jiàn)過(guò)旋轉(zhuǎn)的灑水器嗎？這種裝置不需要復(fù)雜的構(gòu)造，只要噴嘴是L形或S形彎曲的管子，高壓水柱噴出時(shí)，就可以利用“反作用力”讓灑水器旋轉(zhuǎn)。

但是，當(dāng)水“反方向”從噴嘴被“吸入”時(shí)，灑水器會(huì)如何轉(zhuǎn)動(dòng)？科學(xué)家馬赫率先在1883年提出了這個(gè)問(wèn)題。

噴水和吸水并非可逆

許多科學(xué)家的直覺(jué)反應(yīng)是：“這很簡(jiǎn)單，既然是逆過(guò)來(lái)的過(guò)程，那就跟噴水時(shí)灑水器轉(zhuǎn)的方向相反吧！”于是科學(xué)家紛紛設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究這個(gè)問(wèn)題，結(jié)果卻令人困惑：跟噴水時(shí)的方向“順著轉(zhuǎn)”“逆著轉(zhuǎn)”“不大會(huì)轉(zhuǎn)”的情況都有；甚至有研究觀察到更復(fù)雜的現(xiàn)象：“有時(shí)順，有時(shí)逆；一下快，一下慢”地亂轉(zhuǎn)。

這些相互矛盾的結(jié)果，引起了當(dāng)時(shí)還是學(xué)生的諾貝爾物理獎(jiǎng)得主、有“頑童物理學(xué)家”之稱(chēng)的理查·費(fèi)曼的興趣。他在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果引發(fā)大玻璃水瓶爆炸，后來(lái)這個(gè)問(wèn)題就被稱(chēng)為“費(fèi)曼灑水器問(wèn)題”。

這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，連費(fèi)曼也沒(méi)能解決，到底難在哪里？

灑水器“噴水”時(shí)，是由灑水器內(nèi)部“加壓”，水流順著噴嘴的方向流，并沿著同方向向外噴出，這是比較簡(jiǎn)單的狀態(tài)；但是“吸水”時(shí)，內(nèi)部“減壓”將管內(nèi)的水吸走，噴嘴附近的水會(huì)從四面八方向噴嘴內(nèi)流入，補(bǔ)充被吸走的水。過(guò)程中，噴嘴附近的水很容易形成紊流，吸入的水進(jìn)入灑水器內(nèi)部時(shí)，則會(huì)再一次形成紊流。

所以，噴水跟吸水的關(guān)系并不是“影像倒帶”般的逆轉(zhuǎn)，吸水的過(guò)程比噴水復(fù)雜得多，必須考慮灑水器的構(gòu)造與材質(zhì)、轉(zhuǎn)軸的摩擦力、噴嘴的形狀、水的流速等因素及復(fù)雜的流體力學(xué)作用，只要實(shí)驗(yàn)條件稍有不同，就可能得到不同的結(jié)果。

方向相反且轉(zhuǎn)速不同

近期，紐約大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了特制的灑水器，利用表面張力懸浮于水面上，使旋轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)軸摩擦力，并且能夠精準(zhǔn)控制噴水或吸水的流速，同時(shí)在水中加入熒光染料，以便有利于觀察、記錄水流的方向與速度。

經(jīng)過(guò)精密的實(shí)驗(yàn)后，終于得到結(jié)論：灑水器“吸水”時(shí)的確會(huì)以“反方向”旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)的速度只有噴水時(shí)的四十分之一，而且流速較不穩(wěn)定。除了實(shí)驗(yàn)之外，科學(xué)家也進(jìn)行了流體力學(xué)的理論計(jì)算，結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)吻合。

可應(yīng)用于開(kāi)發(fā)新能源

這個(gè)研究解決了從馬赫提出至今，一直困擾科學(xué)家140多年的物理問(wèn)題。不過(guò)，我們使用的灑水器只會(huì)灑水，不會(huì)吸水，這種研究有什么用呢？科學(xué)家表示，我們了解流體如何驅(qū)動(dòng)灑水器的原理后，未來(lái)可用來(lái)開(kāi)發(fā)新能源，如新型的洋流發(fā)電，甚至利用臺(tái)風(fēng)發(fā)電。

這些看似簡(jiǎn)單生活的現(xiàn)象，如果進(jìn)一步研究，可以讓我們對(duì)基本的科學(xué)原理有更深的理解，并且可能成為重要的應(yīng)用科技！