水往低处流的物理知识(物理学家在12年前发现了一个反常现象，看完你会改变尿尿的方式)

Posted 2023-05-30

篇首语：少壮不努力，老大徒伤悲。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水往低处流的物理知识(物理学家在12年前发现了一个反常现象，看完你会改变尿尿的方式)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

水往低处流的物理知识(物理学家在12年前发现了一个反常现象，看完你会改变尿尿的方式)

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撰文七君

俗话说，水往低处流。可是12年前，有人发现了水可以逆流而上。

不信，大家看这里——

紫色的颗粒沿着水流向上爬升

看到木有，水面的粉末随着逆行的水流回到了上方的容器里。可以，这很信条。

所以，这水是看了诺兰新片了吗？倒不是，这个现象是在2008年金融危机爆炸那年被一个叫做 S. Bianchini 的物理系少年发现的，距今已有12年。

阿根廷的传统马黛茶

当时，来自阿根廷的 Bianchini 正在泡阿根廷的传统马黛茶，马黛茶是用巴拉圭冬青叶子制作的，茶叶是粉末状的。当他倒水的时候，猛地发现茶叶竟然倒行逆施，自动飘到了茶壶里。

倒水时，如果壶嘴和下方液面距离很近，茶叶就会逆流而上，来到水壶里。

Bianchini 的导师也没见过这种操作，于是后来 Bianchini 同学用这个做了毕业论文，然后顺利毕业了。

在论文中，他用马黛茶叶还有粉笔末在实验条件下重复了上述现象。Bianchini 认为，这个现象并不是咱们在生活中常见的毛细现象导致的，而是由于马拉高尼效应。

马拉高尼效应咱们以前也讲过，表面张力不同的液体之间形成水流。咱们平时看到的酒杯挂壁，还有风油精小船都是马拉高尼效应导致的。

马拉高尼效应还可以用来让液滴自动解迷宫，超有趣的，回顾点这里。

Bianchini 通过实验发现，马黛茶还有粉笔末可以减少下方液体的表面张力，因此上游的水表面张力大，下游的水表面张力小。而表面张力大的地方可以把表面张力小的地方的液体吸过去，形成马拉高尼流，所以水才可以倒流。

这个反直觉的物理现象说明，上游的水不一定比下游的干净，因为下游可以反过来污染上游。因此后来这个现象就被取名为逆流污染（upstream contamination）。

过了几年，罗格斯大学的工程学教授 Troy Shinbrot 对这个现象产生了兴趣，于是找了个学生和 Bianchini 用更复杂的实验再次验证了一番，并把结果发表在了2013年的 Proceedings of the Royal Society A 上。

Shinbrot 他们用马黛茶叶还有粉笔末发现，逆流污染现象确实存在，液体可以向上攀升1厘米的高度。哪怕上方滴水处宽度达到几米，这个现象依旧存在，冷水和滚水同样会出现逆流污染。

逆流污染

Shinbrot 他们也再次验证了表面张力在逆流污染中的作用。经过测量，他们发现加了粉笔末以后，水的表面张力减小至原来的一半，加了茶叶以后减小至原来的1/3。

经过计算，加入粉笔末后，减少的表面张力可以给漂浮在水上的粉末提供20倍的重力加速度，推动它逆流而上。

逆流污染

那么问题来了，如果这个现象真的是表面张力差导致的，那么消除上游和下游的表面张力差，水是不是就无法倒流了呢？

他们也测试了一下。他们在上游的水中加入了表面活性剂苯扎氯铵，减少上游的表面张力。果然，这么干了之后水就不会倒流了。

实际上，2002年麻省理工学院（MIT）的应用数学教授 John W M Bush 和同事也发现，如果在下方水池里加入表面活性剂，那么下方的水能够沿着瀑布倒流，逆行的高度最高可达到2厘米。

了解了这个现象后，相信各位弟弟都不敢在小便池里近距离滋尿了。

当然对于要做实验的研究者还有制药企业来说，这个现象还是很烦人的，这意味着用滴管的时候，下面的物质可能反过来污染滴管里的液体。

你以为马拉高尼效应可以让水流逆行已经很秀了么？在1992年，科学家们还注意到马拉高尼效应的另一个反常识的神奇技能。

咱们知道，水滴落到杯子里，会和杯子里的水融合在一起，这在物理学上叫做合并（coalesce）。

我们之前介绍过，通过振动液面，可以让液滴长时间不合并（点我看）。

那年，国际航天任务 Spacelab mission D2 的宇航员以及意大利那不勒斯大学的物理学家 Rodolfo Monti 在 Onset 实验中观察到让两个液滴不融合的方法，那就是制造巨大的温差。

这个神奇的现象引起了不少物理学家的兴趣，他们认为，这就是马拉高尼效应作怪。

原来，除了上面讲到的表面张力差（表面张力梯度），温差（温度梯度）也可以促成马拉高尼效应，因为温度越高，表面张力越小。

Monti 后来和同事们做了这样一种装置，上面的仪器悬挂着一滴液体，下面是同样液体形成的水平液面。

他们发现，如果温差很大，那么上面这滴液体死活不会和下面的液面融合。

更有趣的是，只要维持这样的温差，哪怕强行把液滴按到下面的液面以下，它也不愿意融合，把自己活活扭成了气球。

如果上方液滴和下方液面温差很大，那么液滴就不会和下面的液体融合。图片来源：（DOI）10.1016/B978-008044508-3/50002-5.

但是，如果两个液体的温度完全一致，它们在几毫秒内就会融合。

那么，马拉高尼流是如何阻止液滴合并的呢？

这是因为上下液体之间存在温差，因此上面的液滴和下面的液面中都存在马拉高尼流。而这两股对冲的马拉高尼流搅动周围气体，使液体之间存在一层轻薄无感的气体，正是这层气体阻止了上下液体的合并。这个过程简而言之就是“冷朝热风”。

换成两滴液滴也是一样，两滴温差很大的硅油无法合并——

温差很大的液滴无法融合。图片来源：（DOI）10.1016/B978-008044508-3/50002-5.

这个现象在焊接和制造合金时有很大的应用，因为在高温下熔化的金属也会遇到类似的问题。当然，在冬天冰冷的厕所里，大家也能看到带着余温的废液在尿池中最后的倔强。

懂了，高拉自来水来自马拉高。

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无标注图片来源网络。

参考资料储存于石墨：

https://shimo.im/docs/Cjc8DWgCCCDjV3VQ/