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撰文 七君

俗話說，水往低處流?？墒?7年前，有人發(fā)現(xiàn)了水可以逆流而上。

不信，大家看這里——

紫色的顆粒沿著水流向上爬升

看到木有，水面的粉末隨著逆行的水流回到了上方的容器里?？梢裕@很信條。

這個(gè)現(xiàn)象是在2008年金融危機(jī)爆炸那年被一個(gè)叫做 S. Bianchini 的物理系少年發(fā)現(xiàn)的，距今已有17年。

阿根廷的傳統(tǒng)馬黛茶

當(dāng)時(shí)，來自阿根廷的 Bianchini 正在泡阿根廷的傳統(tǒng)馬黛茶，馬黛茶是用巴拉圭冬青葉子制作的，茶葉是粉末狀的。當(dāng)他倒水的時(shí)候，猛地發(fā)現(xiàn)茶葉竟然倒行逆施，自動(dòng)飄到了茶壺里。

倒水時(shí)，如果壺嘴和下方液面距離很近，茶葉就會(huì)逆流而上，來到水壺里。

Bianchini 的導(dǎo)師也沒見過這種操作，于是后來 Bianchini 同學(xué)用這個(gè)做了畢業(yè)論文，然后順利畢業(yè)了。

在論文中，他用馬黛茶葉還有粉筆末在實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)了上述現(xiàn)象。Bianchini 認(rèn)為，這個(gè)現(xiàn)象并不是咱們?cè)谏钪谐Ｒ姷拿?xì)現(xiàn)象導(dǎo)致的，而是由于馬拉高尼效應(yīng)。

馬拉高尼效應(yīng)咱們以前也講過，表面張力不同的液體之間形成水流。咱們平時(shí)看到的酒杯掛壁，還有風(fēng)油精小船都是馬拉高尼效應(yīng)導(dǎo)致的。

馬拉高尼效應(yīng)還可以用來讓液滴自動(dòng)解迷宮。

Bianchini 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，馬黛茶還有粉筆末可以減少下方液體的表面張力，因此上游的水表面張力大，下游的水表面張力小。而表面張力大的地方可以把表面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(gè)反直覺的物理現(xiàn)象說明，上游的水不一定比下游的干凈，因?yàn)橄掠慰梢苑催^來污染上游。因此后來這個(gè)現(xiàn)象就被取名為逆流污染（upstream contamination）。

過了幾年，羅格斯大學(xué)的工程學(xué)教授 Troy Shinbrot 對(duì)這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生了興趣，于是找了個(gè)學(xué)生和 Bianchini 用更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了一番，并把結(jié)果發(fā)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(fā)現(xiàn)，逆流污染現(xiàn)象確實(shí)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(dá)到幾米，這個(gè)現(xiàn)象依舊存在，冷水和滾水同樣會(huì)出現(xiàn)逆流污染。

逆流污染

Shinbrot 他們也再次驗(yàn)證了表面張力在逆流污染中的作用。經(jīng)過測(cè)量，他們發(fā)現(xiàn)加了粉筆末以后，水的表面張力減小至原來的一半，加了茶葉以后減小至原來的1/3。

經(jīng)過計(jì)算，加入粉筆末后，減少的表面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(dòng)它逆流而上。

逆流污染

那么問題來了，如果這個(gè)現(xiàn)象真的是表面張力差導(dǎo)致的，那么消除上游和下游的表面張力差，水是不是就無法倒流了呢？

他們也測(cè)試了一下。他們?cè)谏嫌蔚乃屑尤肓吮砻婊钚詣┍皆蠕@，減少上游的表面張力。果然，這么干了之后水就不會(huì)倒流了。

實(shí)際上，2002年麻省理工學(xué)院（MIT）的應(yīng)用數(shù)學(xué)教授 John W M Bush 和同事也發(fā)現(xiàn)，如果在下方水池里加入表面活性劑，那么下方的水能夠沿著瀑布倒流，逆行的高度最高可達(dá)到2厘米。

了解了這個(gè)現(xiàn)象后，相信各位紳士都不敢在小便池里近距離滋尿了。

當(dāng)然對(duì)于要做實(shí)驗(yàn)的研究者還有制藥企業(yè)來說，這個(gè)現(xiàn)象還是很煩人的，這意味著用滴管的時(shí)候，下面的物質(zhì)可能反過來污染滴管里的液體。

你以為馬拉高尼效應(yīng)可以讓水流逆行已經(jīng)很秀了么？在1992年，科學(xué)家們還注意到馬拉高尼效應(yīng)的另一個(gè)反常識(shí)的神奇技能。

咱們知道，水滴落到杯子里，會(huì)和杯子里的水融合在一起，這在物理學(xué)上叫做合并（coalesce）。

我們之前介紹過，通過振動(dòng)液面，可以讓液滴長(zhǎng)時(shí)間不合并。

那年，國(guó)際航天任務(wù) Spacelab mission D2 的宇航員以及意大利那不勒斯大學(xué)的物理學(xué)家 Rodolfo Monti 在 Onset 實(shí)驗(yàn)中觀察到讓兩個(gè)液滴不融合的方法，那就是制造巨大的溫差。

這個(gè)神奇的現(xiàn)象引起了不少物理學(xué)家的興趣，他們認(rèn)為，這就是馬拉高尼效應(yīng)作怪。

原來，除了上面講到的表面張力差（表面張力梯度），溫差（溫度梯度）也可以促成馬拉高尼效應(yīng)，因?yàn)闇囟仍礁?，表面張力越小?/p>

Monti 后來和同事們做了這樣一種裝置，上面的儀器懸掛著一滴液體，下面是同樣液體形成的水平液面。

他們發(fā)現(xiàn)，如果溫差很大，那么上面這滴液體死活不會(huì)和下面的液面融合。

更有趣的是，只要維持這樣的溫差，哪怕強(qiáng)行把液滴按到下面的液面以下，它也不愿意融合，把自己活活扭成了氣球。

如果上方液滴和下方液面溫差很大，那么液滴就不會(huì)和下面的液體融合。圖片來源：（DOI）10.1016/B978-008044508-3/50002-5.

但是，如果兩個(gè)液體的溫度完全一致，它們?cè)趲缀撩雰?nèi)就會(huì)融合。

那么，馬拉高尼流是如何阻止液滴合并的呢？

這是因?yàn)樯舷乱后w之間存在溫差，因此上面的液滴和下面的液面中都存在馬拉高尼流。而這兩股對(duì)沖的馬拉高尼流攪動(dòng)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并。這個(gè)過程簡(jiǎn)而言之就是“冷朝熱風(fēng)”。

換成兩滴液滴也是一樣，兩滴溫差很大的硅油無法合并——

溫差很大的液滴無法融合。圖片來源：（DOI）10.1016/B978-008044508-3/50002-5.

這個(gè)現(xiàn)象在焊接和制造合金時(shí)有很大的應(yīng)用，因?yàn)樵诟邷叵氯刍慕饘僖矔?huì)遇到類似的問題。當(dāng)然，在冬天冰冷的廁所里，大家也能看到帶著余溫的廢液在尿池中最后的倔強(qiáng)。

懂了，高拉自來水來自馬拉高。

無標(biāo)注圖片來源網(wǎng)絡(luò)。

參考資料儲(chǔ)存于石墨：

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