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【搞笑諾貝爾系列】花灑浴的空氣動力學

2020/8/14 — 13:06

圖片來源: Hannah Xu, Unsplash

圖片來源: Hannah Xu, Unsplash

 

若果你家中浴室的花灑淋浴間,是裝配浴簾而非浴屏門的話,有否出現過一個無聊的煩惱:那就是每當花灑開動的時候,浴簾就會向內飄起,收窄了你自由淋浴的空間。

要解決這問題不難,在浴簾底部加吊少許重量,使其難以飄起就可。有些酒店甚至會細心的在浴簾底部附上小磁石,可以讓你將浴簾隨意定位起來。

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2001 年就曾經有一位來自美國麻省大學阿默斯特分校機械工程學教授 David Schmidt ,對這個浴簾內飄的無聊現象認真起來。他仔細追蹤淋浴間在花灑開動時的空氣流動、氣壓變化等數據,並嘗試了解內飄現象的真正成因,最後甚至將結果發表,他因此獲得 2001 年度的搞笑諾貝爾物理學獎。

要解釋浴室花灑使浴簾內飄的成因,看似不難。在高中物理課程都有介紹過 Bernouli 現象,內容就是指物件兩邊出現氣體流速差異時,流速慢的一邊就會擁有較高氣壓,造成剩力並將物件壓向流速快的一邊。情形就像將紙張放於咀唇的下方,抵住下巴,任其前端下垂,當咀巴向前用力吹氣時,紙張前端卻會反地心吸力往上飄起。

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類似情況也出現於浴簾內飄現象,但並不是最完整的解釋。 Schmidt 教授運用上追蹤空氣流動的技術,並注意到由花灑牽引的空氣流動模式,多數不屬於單向順水流而下的流動,卻更多是牽起水柱周圍的空氣漩渦(vortex)。這些漩渦在花灑開動時生生不息,也就構成一片低壓區域。淋浴間內氣壓稍低了,浴簾也就從外被壓往內。

你也可以追問:那麽運用花灑的水溫,會否也使淋浴間內外構成溫差,令冷空氣傾向從浴簾下方湧入,繼而使浴簾內飄?這也是Schmidt教授曾經探究過,而答案是此效應微不足道。

空氣流體力學就是如此一門學問,其現象可以很簡單,解釋也看似簡單,但要實際了解起來,卻原來需要用上繁複的實驗,方可完全整理各個效應的大小貢獻。浴簾內飄的例子看似無聊,但如果說到飛機起飛時,機翼周邊的空氣動力學,就變成極其嚴肅的問題了。

20 年前的世界的高中物理課程,就曾經過度簡化地理解飛機起飛的原理。過去一般以為,機翼的形狀,使機翼上下方空氣流速造成差異,於是運用普通的 Bernouli 效應就可推算出有足夠的升力抬起飛機。這種運算題甚至曾出現於正式的考卷上。

然而事實需要從實驗之中求證,經反覆研究之後,方發覺 Bernouli 效應實際上提供的升力有限,而且可變。要完整地解釋飛機為何起飛,原來也是有如解釋浴簾內飄現象一樣,需要多個因素結合,再分析各個因素的輕重的。專家與業餘的分別,最後可能只是差別在一份儀器與一份好奇心罷了。

 

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