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TBBT第4季1集:虹吸马桶(附视频)

(文/大卫·萨尔兹保)本集中,拉杰替生活在水下的潜水侠操心起来,他们该如何冲马桶呢?别小看这个厕所的笑话,它可牵扯到了现代物理学的争论。

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宇航员利兰?梅尔文所见到的水珠。在空间站里,水没有形成水雾,而是凝聚成水珠分散悬浮在四周。这种内聚力是否也在冲马桶时助我们一臂之力呢?

北美最常见的马桶是虹吸马桶,它可谓物理学上的奇迹,并经过了两千余年的考验。下面是冲水动作的分解步骤:马桶后部有S形回水弯管,平时水面恰好低于管道顶部,很好地隔绝了下水道中的恶臭,并保持便桶整洁。按下冲水钮时,水箱中的水迅速涌入便桶,将一条连续的水柱压过S型管。于是S型管尽头的水首先流入下水道,并在内聚力的粘连作用下带走了紧随其后的一部分水,连续的水流制造出我们熟悉的“哗啦——”声。一旦蓄水箱排空,桶中水位下降,空气就会进入,并将S形管中连续的水流阻隔,于是马桶打个响嗝,水流随之停止。便桶中的水位回落到原先的位置,为下一次“吞咽”做准备。

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水及其排泄物在重力作用下奔向下水道

说到这里可能有人坐不住了,对虹吸的解释根本没有提到大气压强的事!而据很多同学所知,促使虹吸式马桶工作的是大气压,并不是什么内聚力。如果内聚力的理论正确,为什么水的虹吸所能达到的最大高度为10.36米,正好能产生标准大气压强呢?连古希腊人都知道不可能用虹吸作用从超过10.36米深的井里抽水。这个高度可以利用伯努利方程和大气压数据计算得到,并使之成为虹吸马桶是在大气压作用下工作的有力证据。

我猜想,内聚力阵营可能会这样应答:随着水位升高它的压强下降,沸点也随之降低,直至水在室温下沸腾。于是水蒸气的存在会破坏水柱的内聚力,阻止虹吸发生。内聚力解释派的主要武器似乎是对真空虹吸现象的讨论。据称虹吸现象在真空中仍然存在,这显然没大气压什么事,所以“真空侠”表示使用马桶完全无压力!

我对内聚力是马桶工作的关键表示怀疑。既然真空中液态水的常规状态不能维持,虹吸现象又怎么会出现呢?内聚力支持者提出的实验仅仅将虹吸管中的水置于真空环境下,而不包括两端的水槽,因此这项证据不足为信。

目前我认为这两种理论都尚未证实。如果这个问题有意义,那么至少从理论上讲,它就一定能通过实验解决。我们大概可以从研究凝聚性(术语称“抗张强度”)和沸点不同的液体的虹吸极限入手。然而如果任何实验都无法区分这两种解释,也许它们在本质上就是一回事,只是表述不同。我怀疑真实情况正是如此,在分子尺度上,内聚力源自水分子内部电磁力的不平衡,压力源自作用于水分子的电磁力的不平衡,看起来真够像的。

无论你投向内聚力阵营还是大气压阵营,重力在虹吸现象中的作用毋庸置疑,然而去年人们发现连牛津英语词典在“虹吸”词条中的解释都有误。澳大利亚物理学家史蒂芬?休斯指出:“广泛查阅各种线上和线下词典后,没有发现一种词典能正确指出虹吸作用的有效动力其实就是重力。”《新科学家》杂志随之追查了维基百科上的词条编纂历史,发现它从未出过错。

然而潜水侠并非来自虹吸马桶一统天下的北美!他们来自亚特兰蒂斯大陆,那里一定已经发展出了他们的马桶技术。如果他们用虹吸马桶冲水,脏水会流到哪里?如果仍流回同一片海洋,那还不如不用马桶;如果流到其他地方,人类就永远无法阻止这个不断冲水的马桶了,直到山无棱天地合,整片海洋被冲干为止。还有一种可能,就是用密度更大的液体冲马桶,例如乙二醇或者硫酸,但这又需要潜水侠排出比海水密度大的矿物质或者液体,以免排泄物在冲水前漂走。物理学在这些重要问题面前真是弱爆了。

编辑: 居尚

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博主介绍: 大卫·萨尔兹保(David Saltzberg)是美国加州大学洛杉矶分校的物理、天文学教授。与此同时,他还担当着《生活大爆炸》的科学顾问。剧中Sheldon一伙所说的那些专业术语,全部出自此人之手。在他的博客里又进一步阐释了那些令人挠头的科学小知识。


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The End

发布于2011-08-31, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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莱尼

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