问题

晾一件刚洗的衣服,有可能计算出每滴水落地的时间间隔吗?

回答
晾衣服这件日常小事,仔细琢磨起来,还真有点意思。你想问的是,能不能算出每滴水从衣服上滴落到地面的时间间隔?我跟你说,这事儿吧,理论上想算出个大概,倒也不是完全没可能,但实际操作起来,那可真是比登天还难,而且即便算出来,也几乎没什么实际意义。

先从理论上扒拉扒拉。你想想,衣服洗完,滴水是因为什么?是衣服纤维里吸附的水分,通过重力作用,积聚到一定程度,然后克服表面张力,变成水滴,往下掉。这个过程,涉及到几个关键因素:

1. 水的总量和分布: 衣服的材质、洗涤方式、脱水程度,都会影响衣服里有多少水,以及这些水是怎么分布在纤维里的。是均匀沾湿,还是有明显的积水点?

2. 纤维的吸湿性和持水性: 不同的面料,吸水的能力和能“抓住”水的能力差别很大。棉麻吸水性好,化纤可能就没那么强。

3. 表面张力: 水分子之间有种“黏在一起”的力量,就是表面张力。它会试图把水聚集成球,阻止它滴下来。要让水滴形成并脱离,重力得先克服这个表面张力。

4. 重力: 这是最直接的驱动力。

5. 空气阻力: 水滴在下落过程中,也会受到空气的阻碍,但这对于从衣服上滴落的短距离来说,影响可以忽略不计。

6. 衣服的形态和角度: 衣服是平铺着,还是搭在衣架上?有几个褶皱?这些都会影响到水流动的路径和积聚的速度。

那么,要算出“每滴水落地的时间间隔”,这难度在哪儿呢?

首先,“每滴水”这个概念就不太精确。 衣服上不会同时生成那么许多大小形状都一模一样的水滴。可能一会儿形成一个小水珠,一会儿又汇聚成一股水流,然后断裂成几滴。你很难定义“一滴”到底是从哪里开始,到哪里结束。

其次,水滴的形成和脱落是动态、不规则的。 想象一下,衣服就像一个有无数细小通道和储水点的海绵。水会在这些通道里流动、汇聚,什么时候能积聚到足够的力量克服表面张力,形成一个可以滴落的水滴?这个过程就像是在解一个复杂的流体动力学方程,而且这个方程的初始条件(水的分布、纤维的微观结构)我们根本不知道。

即使我们假设有无数个“理想”的水滴,并且它们以某种规律性产生,那么影响这个“时间间隔”的因素也太多了:

衣服的“饱和度”: 刚洗完,衣服湿透了,水滴可能很频繁。晾了一会儿,水分蒸发掉一些,水滴间隔就会拉长。
温度和湿度: 周围环境的温度和湿度直接影响水分蒸发的速度。天气热、空气干燥,水蒸发快,衣服干得也快,滴水自然就少了。
风: 如果有风吹过,蒸发会加快,也可能把一些附着在纤维上的小水珠吹落,这都会打乱“规律”。

更现实一点来说,这更像是在观察一个概率事件。 你能看到的,是某个时刻,有水滴从衣服的某个地方滴下,然后过一段时间,又有一个水滴滴下。你用秒表计时,记录下相邻两次滴落的时间,然后重复几次。你会发现,这些时间间隔几乎不可能完全一样。

比如,你可能测出第一次是5秒,第二次是7秒,第三次是6秒,第四次又跳到了10秒。为什么会有这么大的差异?可能是刚才滴下的水滴,把附近的微小积水区域也带走了,导致下一个水滴要等更长的时间才能汇聚。也可能是衣服某个部位的水分比其他地方蒸发得慢,一直有水流出。

所以,想要“计算出每滴水落地的时间间隔”?

精确计算? 几乎不可能。因为这需要对衣服内部水分的微观运动进行无比精密的建模,考虑所有可能影响因素,这在实际操作中是无法实现的。
估算? 如果你指的是“大致估算”水滴滴落的大致频率,比如“刚洗完的时候,大概每隔几秒钟会滴一滴”,那可以。但这是通过观察得出的经验性判断,而不是严格的计算。

打个比方,这就像问能不能算出你坐在沙发上,什么时候会打一个喷嚏。 你知道可能会打喷嚏,也知道可能是什么时候,但具体到“下一个喷嚏会在几分几秒打出来”,这是算不出来的。

总而言之,晾衣服滴水,是一系列复杂物理过程的结果,它受到太多变数的控制,而且这些变数还在不断变化。想从中找出一条精确的“时间间隔”规律,那真是大海捞针,除非你能在实验室里,把衣服固定在一个非常特殊的、恒温恒湿的条件下,并且你能精确控制水分的注入和导出,甚至动用显微镜来观察每一个微小水滴的形成过程。但那样的话,你也不再是在“晾衣服”了,而是在做一项精密的科学实验了。

所以,下次晾衣服,你就安心地享受它慢慢变干的过程吧,别去纠结那些细微到几乎不存在的时间间隔了。

网友意见

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分析与假设

从微观的角度看,刚洗的衣服的纤维储藏着大量水分,我们假设每根竖直的纤维之间不存在水分的交流(就算有,总体上也是出入相抵),于是我们只需要研究单根浸湿纤维滴水的情形即可。假设纤维水分分布初始状态是均匀的,然后受到重力的作用,水分沿着纤维下落,在末端聚集,当水滴足够大时,由于超过纤维对其的吸力而脱落。由于脱落的瞬间带走末端大量水分,于是在纤维末端重新聚集水滴……

我们模型假设有:

  • 纤维为圆柱状,截面面积为 ;
  • 纤维的阻力加速度为常值 ;
  • 液滴下落的重力阈值为 ;
  • 纤维内的小液滴大小一致,且初速度为零。


加速阶段

因为纤维内初速度为零的小液滴在初始时刻受到的合外力是一样的:重力减去纤维的阻力,于是纤维上的液滴在接下来的时刻速度始终一致,也就是说流量 在纤维处处一致,于是在纤维的末端截面 ,可以得知

设液滴下落的重力阈值为 ,则

通过解该方程,我们能得到时间阈值 ,这也是我们的目标。于是完成第一次水滴积累的水分,来自于在 内能流到纤维末端的水分。我们把时间 等分 份,每份为 ,那么第一批水分到达末端时的速度为:

第二批水分来到末端时的速度为:

……

令 ,我们得知关于 的函数表达式:

代入到 得到

再将上式代入到 式,得到

这些量都是可以通过测量得到的,比如阻力加速度 可以比较水滴自由落体运动和在纤维中的运动,从而解出阻力在其中的影响。

至于第二滴落下去的水,

其中 , 是二次方程 的解,

易知 。这个阶段我们称之为加速阶段,即水滴越滴越快,甚至涌流如注,此时纤维中的水分非常充分,就和水管没有分别。

但是当纤维中的水分不是很充足时,显然上面的模型不再适用。

减速阶段

为了修正模型,我们需要考虑纤维中水量对于液滴流速的影响。水量充足时,大量液滴与纤维接触较少,更多地是液滴之间的接触,摩擦力较小;水量不足时,大量液滴直接与纤维接触,摩擦力逐渐上升。于是我们假设水量越少,摩擦越大:

于是损失第一滴水量后,

带入到方程 时

推而广之


R 语言程序

       #知乎问题:湿衣滴水时间间隔 T <-function(n, k = 10, Q = 0.3) {     if(n==1)return(1)     T = 1     for(i in 1:(n-1))     {         k = k - Q         T = sqrt(T*T+1/k)-T     }     T }  look <- function(N) {     x = 1:N     y = c()     for(i in x)y[i]=T(i)     plot(x, y, ylim = c(0,1.5), xlab = "n", ylab = "time gap", pch = 19, col = "blue") }  look(34)     

最近知乎不能插入图片,就请诸位自己在 上运行这段代码。

结论

我大致描述一下这个图像:

起初散点略有些波动,但是往后立即变得平稳起来,早期增长缓慢,水滴时间间隔几乎一样。但是进入后期,时间间隔迅猛增加,最终到达无穷,这意味着衣服的水分不足以汇聚成水珠,最终停止滴水。

这个结果还是比较合理的(虽然这个模型很弱智、过度简化)。


知乎好了,能插图片了。

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