问题

为什么把水管出水口捏扁可以让水流射得更远?

回答
你这个问题问得太有意思了!很多人都有过这种经验,洗车、浇花或者在家里玩水的时候,都会下意识地把水管的出水口捏一捏,然后惊奇地发现,水柱一下子变得又细又远,好像威力倍增了一样。这背后其实藏着一些很有趣的物理原理。

咱们一步步来聊聊,为什么这么做能让水流“跑得更远”。

核心原理:压强增大,速度加快(伯努利原理的体现)

最根本的原因在于,当你把水管的出水口捏扁时,你改变了出水口的形状,导致出水口的面积变小了。根据连续性方程(Continuity Equation),在一个连续流动的液体中,流体的体积流量(单位时间内流过某个截面的液体体积)是恒定的。你可以理解为,不管你把水管捏成什么形状,只要水在里面不漏气不堵塞,流出来的水的总量其实是一样的。

那么问题来了,既然流出来的水量一样,但截面积变小了,水就只能以更快的速度挤出去,才能保证流量不变。你可以想象一下,如果你有那么多水要通过一个更窄的通道,那水就得加快脚步才能在相同时间内通过。这就是流速增加。

进一步解释:压强和速度的关系(伯努利原理)

这里就得提到一个非常重要的物理学原理——伯努利原理(Bernoulli's Principle)了。简单来说,它描述的是在流体(液体或气体)中,当流体速度增加时,其静止的压力就会降低,反之亦然。

具体到我们的水管出水口:

1. 捏扁之前: 水管的出水口直径相对较大,水流的速度也相对较慢。此时,水流内部的压强分布比较均匀,一部分压强是驱动水流前进的动力,另一部分则是水流自身的静止压强。

2. 捏扁之后: 你把出水口捏扁,就相当于把一个大直径的圆口变成了一个窄小的缝隙。在这个狭小的缝隙里,水必须加速才能通过。根据伯努利原理,当水流速度急剧增加时,它在出水口处的静止压强就会降低。

为什么压强降低反而能让水流得更远?

这听起来有点反直觉,但其实是这样的:

外部大气压强不变: 捏扁出水口时,水流喷出的那一刻,它仍然受到外面大气压强的挤压。
出水口内部压强降低: 因为水流速度加快,出水口处的内部压强变低。
“真空效应”和外部推力: 当出水口内部的压强低于外部大气压强时,外部的大气压强就会对水流产生一个“推力”,帮助它继续向前喷射。你可以想象成,水流后面形成了一个低压区域,外面的大气就好像把水往前“吸”或者“推”一样。
减小阻力: 捏扁出水口还能让水流形成一个更紧凑、更规则的柱状,相对于一个扩散的水流来说,它受到的空气阻力会小一些,这样也能让水流维持更远的距离。

打个更形象的比喻:

想象一下你在一个挤满了人的房间里,大家都是慢慢地走动。突然,房间的一面墙上出现了一个非常窄的门,所有人想出去就得挤过这个门。为了能出去,大家是不是得加快脚步?而且,当很多人一下子涌到那个窄门时,门边上人的空间就会变得比较“空”,空气也就更容易流通。

再比如,你拿着一张纸,如果平着吹气,纸会轻轻晃动,但如果你把嘴唇捏扁,对着纸的边缘吹,你会发现纸会被吹得很高。原理类似,你吹得越快、越集中,气流速度越快,气流下方的压强就越低,纸就被低压区域“吸”上去了。

总结一下,让水流射得更远的几个关键点:

1. 截面积减小 → 流速增加: 这是最直接的影响。
2. 流速增加 → 压强降低(伯努利原理): 出水口处的内部压强低于外部大气压强。
3. 低压区域形成 → 受外部大气推力作用: 外部大气帮助水流加速向前。
4. 水流形态更佳 → 减小空气阻力: 紧凑的水柱更不容易散开。

所以,下次你再捏水管的时候,就可以跟朋友炫耀一下,你这是在巧妙运用物理学原理呢!这个小小的动作,把我们生活中的“经验之谈”和深邃的物理定律联系了起来,是不是挺有趣的?

网友意见

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大家好,这里是题主。不小心引发一场大战,实在不好意思!(鞠躬)非常感谢各位答主的回答,涨了很多姿势。

无论原因是什么,当管口面积减小并在一定范围内时(至少在当5岁的题主用手捏花园里的水管时...),水流的平均速度增加是共识。这也从本质上解释了为什么“把水管出水口捏扁可以让水流射得更远”。

(要不要站队呢... 站一下队吧! 我能看懂并且觉得最有道理的答案是这个:

徐艺哲的回答

。当然有好几个答主都是这个意见:管口缩小导致增加的局部能量损失小于流量变小导致减少的沿程能量损失

不过我最初想知道的其实是管口形状对水流的影响。可能有人猜到了,隔了这么多年又想起这个问题的原因是写

每个男生都有一把来福枪吗?

的时候,好奇“出水口是缝而非圆孔”这个设定对水(niao) 流稳定性的影响。结果没有答主关心这个,应该是因为太显然了吧。。。所以都直接考虑同样形状(圆形)的水流了。。。

我就自力更生又去研 gu 究 ge 了一下,结果发现研究空气中水流的人还不少!主要是两个工业:水流清洗和切割。还有就是农业中浇花的喷头。。。然后发动机的燃料注射也对管口形状感兴趣,不过他们似乎是想增加水流与空气的混合,主要搞一些奇奇怪怪的形状。

啊,跑题了。先说结论:初速相同时改变圆管口形状至非圆,只会降低水流的距离。所以捏扁水管时水流射得更远完全是速度增加造成的。很遗憾,最初“大自然让我们尿得更远”这个直觉是错的。。。

具体来说,最相关的结果应该是这个:

出自[1]。第一行 (a) 是从圆形出水孔射出的水流。(b)-(e) 则是面积相同的椭圆形出口,越来越扁。很明显,越扁的椭圆形液流就越快散开成水滴。变成水滴之后阻力增加(比起水流中的水,每一个水滴都要独立面对空气阻力哇),就跑不远了。

Baskici 的硕士论文 [2] 考察了各种不同的管口形状,结论也是不圆的管口水流比较不稳:

上图表示随着离开管口距离(横轴),水流中央速度的衰减。浅蓝色的是圆形管口,其他是各种奇怪的管口。可以看到,圆形出口的水流速度维持地最远,也就是射得最远。

类似的,Hashiehbaf & Romano [3] 也表明圆形出口比方形或椭圆形的流速损失要慢:

上图中,紫色菱形是圆形出口,深蓝色的是正方形,红色为椭圆形,绿色为长方形。可以看到随着距离的增加,圆形出口的速度损失要小于椭圆形。(但是比较上图和上上图会发现同样距离下速度损失差别很大。。。 大概是两个实验的前提不同吧。。。)

[1] Amini, G., Lv, Y., Dolatabadi, A., & Ihme, M. (2014). Instability of elliptic liquid jets: Temporal linear stability theory and experimental analysis. Physics of Fluids, 26(11), 1–22.

[2] Baskici, G. (2014). A Computational Analysis of Novel Non-circular Nozzles.

[3] Hashiehbaf, A., & Romano, G. (2014). Experimental investigation on circular and non-circular synthetic jets issuing from sharp edge orifices. In 17th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics.

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