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撰文 | Skin
在動漫《一拳超人》里,主人公琦玉立志變成英雄,每天進行高強度鍛煉后,他終于變禿了(不是),他終于練就了有力量的拳法,據稱,他能一拳擊敗所有超級怪獸和反派。
不過……此時,一位流體力學老師坐不住了!為此他特地發了篇論文,說一拳超人琦玉其實打不死一只蒼蠅或蚊子?
這篇有趣的論文發表于2024年的一次流體力學學術會議中,來自美國內布拉斯加大學林肯分校的研究者Sangjin Ryu提到,想象一下,琦玉老師面前有一支蚊蠅,然后他揮拳靠近……然后……
蚊蠅就被吹跑了。
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在流體力學中,這叫做無滑移邊界條件。指的是流體和固體接觸時,它們之間的速度是完全相同的。比如說,為什么下雨天時,車開過水坑會濺起水花?就是因為車輪胎表面那層水膜形成了“邊界層”,這層水的速度等于輪胎速度,而邊界層外的水的速度則和它不同,而這就造成了飛濺的水花。
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動漫中也會用這種視覺效果來表示“風”。|圖源網絡
再比如說,為什么快速揮拳或者扇巴掌時,會覺得有“風”,也是同樣的道理,邊界層的空氣的速度=你手的速度,而邊界層外的空氣則和它形成了速度差,也就讓人感受到了風。
在論文中,Sangjin Ryu就大概測算了一下,如果琦玉要揮出強力的一拳,手移動的距離是40cm,時間差0.056秒,就能達成7.2m/s的風速,足以把一只蚊蟲吹走了!
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在文章中,Sangjin Ryu根據琦玉揮拳進行了一些風速的估算。|參考資料2
不過,雖然當不了“一拳超人”,但如果你打過蒼蠅或蚊子,可能都體驗過“兩巴掌超人”。兩只手合拍,兩側都有風,氣流在手心相遇并停滯,風速為0,蚊子被困在其中。另外,Sangjin Ryu還建議琦玉買個蒼蠅拍,因為從流體力學的角度來看,蒼蠅拍里藏著許多大智慧。
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這就是為什么合掌打蚊子蒼蠅,一般都會比較準的原理。|參考資料2
蒼蠅拍為什么不會像手一樣形成風?因為它中間有很多小孔,空氣可以通過其中,就不會在打蒼蠅時產生過多的氣流干擾。這種有孔洞的表面叫做滲透性邊界。
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蒼蠅拍的主要元素就是有孔洞的表面。|參考資料4
Sangjin Ryu并不是唯一一位對蒼蠅拍感興趣的科學家,當我們了解了蒼蠅拍的基礎原理后,法國和荷蘭的幾位物理學家則用科學的角度,找到了從科學角度看,最好用的蒼蠅拍。
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傳統的蒼蠅拍其實就是能讓風穿過的鐵絲網。|參考資料1
蒼蠅拍誕生于1900年,最初是由金屬編織成的一個網,當時它雖然好用,但是由于對流體力學的認識不足,人們往往把設計重心放在蒼蠅拍的手柄上,殊不知蒼蠅拍上孔洞的分布才是能打到蒼蠅的核心設計。
蒼蠅拍表面的孔洞分布影響著氣流流動的方向。為此,研究者們嘗試了19種不同的孔洞排列方式,用膠帶把蒼蠅拍不同位置的孔洞封起來,再將其放入風洞進行專業的分析。
有這么幾個要點:
我們已經知道,像手掌這樣,沒有孔洞的無滑移邊界會產生“風”,對打蒼蠅造成氣流干擾。
而如果一個蒼蠅拍就是像傳統鐵絲網,全開孔,這種滲透性表面能穿透空氣,但是打起來感覺有點“軟軟的”,其實是缺乏升力,拍擊起來缺一點力度。雖然容易打到蒼蠅,但拍不死。
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早期的蒼蠅拍將設計重點放在了手柄上,但事實上孔洞的影響可能更大。|參考資料4
而聰明的蒼蠅拍,應該是“局部開孔”。在實驗中,科學家發現,當蒼蠅拍上部的孔洞開放時,既能流出空氣,又能保持良好的升力,能夠快準狠地打蚊子。
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3.4.5三個上端開口的蒼蠅拍是比較好用的。|參考資料1
一個蒼蠅拍,不僅包含著豐富的物理知識,甚至還能玩出花來?世界上真的有人是蒼蠅拍狂熱愛好者。Iza van Riemsdijk從1989年起就開始滿世界收集蒼蠅拍,如今她已經收集了3300只蒼蠅拍,這些蒼蠅拍尺寸形狀各異,有著豐富的花色和大小。
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這款粉色的蒼蠅拍是Iza van Riemsdijk收藏的第一支蒼蠅拍。|secondwavemedia.
Iza van Riemsdijk甚至還辦了自己的“蒼蠅拍展覽”,從蒼蠅拍的歷史,設計發展到蒼蠅拍的色彩和設計元素應有盡有。
蒼蠅拍里真是藏著不少科學和藝術啊……下次當你打蒼蠅時,不如體會一下其中所蘊含的流體力學原理~
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而且世界上真的有很多有趣的蒼蠅拍!|參考資料4
參考資料
[1]https://pubs.aip.org/aip/pof/article/36/1/017105/2932767/Influence-of-the-porosity-pattern-on-the
[2]https://asmedigitalcollection.asme.org/FEDSM/proceedings-abstract/FEDSM2024/88124/V001T03A014/1205533
[3]https://www.hetnatuurhistorisch.nl/exposities/geweest/geweest-2015/vliegenmeppers/
[4]https://www.threads.com/@presentandcorrect/post/DAJqucEOEBN?hl=en
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