第547章 液體上流現象

  俗話說，水往低處流。可是12年前，有人發現了水可以逆流而上。


  水麵的粉末隨著逆行的水流回到了上方的容器裏。可以，這很信條。


  所以，這水是看了諾蘭新片了嗎？倒不是，這個現象是在2008年金融危機爆發那年被一個叫做 S. Biani 的物理係少年發現的，距今已有12年。


  當時，來自阿根廷的 Biani 正在泡阿根廷的傳統馬黛茶，馬黛茶是用巴拉圭冬青葉子製作的，茶葉是粉末狀的。當他倒水的時候，猛地發現茶葉竟然倒行逆施，自動飄到了茶壺裏。


  倒水時，如果壺嘴和下方液麵距離很近，茶葉就會逆流而上，來到水壺裏。


  Biani 的導師也沒見過這種操作，於是後來 Biani 同學用這個做了畢業論文，然後順利畢業了。


  在論文中，他用馬黛茶葉還有粉筆末在實驗條件下重複了上述現象。Biani 認為，這個現象並不是咱們在生活中常見的毛細現象導致的，而是由於馬拉高尼效應。


  馬拉高尼效應指的是表麵張力不同的液體之間形成水流。咱們平時看到的酒杯掛壁，還有風油精小船都是馬拉高尼效應導致的。


  馬拉高尼效應還可以用來讓液滴自動解迷宮，超有趣的，回顧點這裏。


  Biani 通過實驗發現，馬黛茶還有粉筆末可以減少下方液體的表麵張力，因此上遊的水表麵張力大，下遊的水表麵張力小。而表麵張力大的地方可以把表麵張力小的地方的液體吸過去，形成馬拉高尼流，所以水才可以倒流。


  這個反直覺的物理現象說明，上遊的水不一定比下遊的幹淨，因為下遊可以反過來汙染上遊。因此後來這個現象就被取名為逆流汙染（upstream ination）。


  過了幾年，羅格斯大學的工程學教授 Troy Shinbrot 對這個現象產生了興趣，於是找了個學生和 Biani 用更複雜的實驗再次驗證了一番，並把結果發表在了2013年的Proceedings of the Royal Society A 上。


  Shinbrot 他們用馬黛茶葉還有粉筆末發現，逆流汙染現象確實存在，液體可以向上攀升1厘米的高度。哪怕上方滴水處寬度達到幾米，這個現象依舊存在，冷水和滾水同樣會出現逆流汙染。


  Shinbrot 他們也再次驗證了表麵張力在逆流汙染中的作用。經過測量，他們發現加了粉筆末以後，水的表麵張力減小至原來的一半，加了茶葉以後減小至原來的1/3。


  經過計算，加入粉筆末後，減少的表麵張力可以給漂浮在水上的粉末提供20倍的重力加速度，推動它逆流而上。


  那麽問題來了，如果這個現象真的是表麵張力差導致的，那麽消除上遊和下遊的表麵張力差，水是不是就無法倒流了呢？


  他們也測試了一下。他們在上遊的水中加入了表麵活性劑苯紮氯銨，減少上遊的表麵張力。果然，這麽幹了之後水就不會倒流了。


  實際上，2002年麻省理工學院（MIT）的應用數學教授 John W M Bush 和同事也發現，如果在下方水池裏加入表麵活性劑，那麽下方的水能夠沿著瀑布倒流，逆行的高度最高可達到2厘米。


  了解了這個現象後，相信各位弟弟都不敢在小便池裏近距離滋尿了。


  當然對於要做實驗的研究者還有製藥企業來說，這個現象還是很煩人的，這意味著用滴管的時候，下麵的物質可能反過來汙染滴管裏的液體。


  你以為馬拉高尼效應可以讓水流逆行已經很秀了麽？在1992年，科學家們還注意到馬拉高尼效應的另一個反常識的神奇技能。


  咱們知道，水滴落到杯子裏，會和杯子裏的水融合在一起，這在物理學上叫做合並（coalesce）。


  我們之前介紹過，通過振動液麵，可以讓液滴長時間不合並。


  那年，國際航天任務 Spacelab mission D2 的宇航員以及意大利那不勒斯大學的物理學家 Rodolfo Monti 在 O 實驗中觀察到讓兩個液滴不融合的方法，那就是製造巨大的溫差。


  這個神奇的現象引起了不少物理學家的興趣，他們認為，這就是馬拉高尼效應作怪。


  原來，除了上麵講到的表麵張力差（表麵張力梯度），溫差（溫度梯度）也可以促成馬拉高尼效應，因為溫度越高，表麵張力越小。


  Monti 後來和同事們做了這樣一種裝置，上麵的儀器懸掛著一滴液體，下麵是同樣液體形成的水平液麵。


  他們發現，如果溫差很大，那麽上麵這滴液體死活不會和下麵的液麵融合。


  更有趣的是，隻要維持這樣的溫差，哪怕強行把液滴按到下麵的液麵以下，它也不願意融合，把自己活活扭成了氣球。


  如果上方液滴和下方液麵溫差很大，那麽液滴就不會和下麵的液體融合。


  但是，如果兩個液體的溫度完全一致，它們在幾毫秒內就會融合。


  那麽，馬拉高尼流是如何阻止液滴合並的呢？

  這是因為上下液體之間存在溫差，因此上麵的液滴和下麵的液麵中都存在馬拉高尼流。而這兩股對衝的馬拉高尼流攪動周圍氣體，使液體之間存在一層輕薄無感的氣體，正是這層氣體阻止了上下液體的合並。這個過程簡而言之就是“冷朝熱風”。


  換成兩滴液滴也是一樣，兩滴溫差很大的矽油無法合並——


  溫差很大的液滴無法融合。


  這個現象在焊接和製造合金時有很大的應用，因為在高溫下熔化的金屬也會遇到類似的問題。當然，在冬天冰冷的廁所裏，大家也能看到帶著餘溫的廢液在尿池中最後的倔強。