大家愛吃這種玻璃瓶裝的水果罐頭嗎?在以前物質并不豐富的時候,這種罐頭是小朋友們難得的美味。到了現在,仍有許多人一直喜愛它,水果罐頭的味道成為了某種共同的童年回憶和心靈慰藉。
罐頭好吃,但蓋子難擰開,尤其對于力氣小的孩子們來說,這時只能求大人幫忙。印象里,大人們碰到擰不開的罐頭時,通常會把罐頭倒過來,拍一下底部,然后“啵”的一聲,瓶蓋就松開了。
在享受罐頭美味的同時,小時候的你有沒有琢磨過,擰不開的罐頭,為什么拍一拍底部就能輕松打開了?今天我們就來揭秘一下。
不可低估的水的力量
在高速攝影機下,我們可以清晰地觀察拍擊的一瞬間到底發生了什么。這里,我們拿一個裝了水玻璃瓶,然后擊打瓶口,用來模擬拍罐頭的場景。
在快速的擊打下,瓶子會向下移動一小段距離。但是,由于物體的慣性,瓶子里的水一開始并不會跟隨瓶子向下移動,而是停留在原來的位置。
這個時候,由于瓶底和水的分離,會在瓶底短暫地產生一個接近真空的低壓區域。接著,水就會在上側大氣壓的作用下,迅速向下流動,填補這個低壓區。當快速流動的水撞擊到瓶底時,瞬間的減速會產生巨大的沖擊力,將瓶底擊碎。
所以,真正打開罐頭瓶蓋的不是巴掌,而是靠水流。看起來柔弱的水,卻能產生足以擊碎厚玻璃的強大力量。這其實并不稀奇,在生活中的其他地方也經常能夠看到。比如,如果快速關閉水管上的龍頭,可以發現水管會猛烈搖晃一下,甚至發出沉悶的響聲。
如同連環追尾的水錘效應
和拍罐頭、關龍頭一樣,如果快速的水流被某種外界原因突然截止,由于水的壓縮性很差,光靠自身難以緩沖,所以會產生很大的壓力作用到外界。我們把這一類現象叫做水錘效應。這就好比高速路上,前車突然剎車,后面的車來不及反應,只能狠狠撞上去發生追尾。
在輸水管道中,突然關閉閥門,引發的強大壓力能達到正常壓力的數十至上百倍,可能引起管道的爆裂。這叫做正水錘。同時,沖擊波還會在管道內來回傳播,造成管道的激烈振動,并損壞閥門等其他管路裝置,危害整個管路系統。
如果突然打開閥門,釋放水流的同時也會讓管道內的壓力迅速下降,在外界大氣壓的作用下,可能會引起管道的癟塌。這叫做負水錘。總之,無論是正水錘還是負水錘,都需要避免在管路使用時出現。
現在,很多地方都會在管路中連接一個水錘消除器,它的主體由一個活塞和一個氣腔組成。水錘效應引發管道內壓力的變化會作用在這個活塞上,引起它在氣腔內的上下運動,使氣腔內的氣壓和管道內的壓力形成動態平衡,從而減弱對管路本體的沖擊和振動。
水錘效應也不是一無是處,有時候人們反而需要利用它,比如水錘泵。它可以利用水錘產生的強大壓力,把水從低處泵送至高處。相比于其他工作原理的泵,它具有結構簡單、維護成本低、使用壽命長等優勢。同時,還可以利用水錘效應產生噴射的高壓水流,用于清洗、噴泉等場景。
經過今天的介紹,下次遇到擰不開的罐頭瓶,你應該知道怎么優雅地打開了吧?不過切記,應該是拍瓶底,而不是拍瓶蓋,不然底碎了但蓋子沒開,那就尷尬了……
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來源丨上海科技館(ID:sstm01)
作者丨危安然 應用工程師 上海交通大學力學博士
責編丨王夢如
審校丨徐來、林林
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