如何快速吃面还不溅汤?_风闻
费米科学-来费米一起玩科学吧2019-01-25 16:27



大家好
我是超爱吃拉面的小虾

一碗拉面🍜
热气腾腾,汤汁浓郁
面条Q弹爽滑
👇总能带来无比的幸福👇
日本博多拉面


中国兰州拉面
○图片来源:左,南昌吃货;右,旧金山湾区消费指南。
👇恨不得一口把它吸干👇

○好好吃!
唯一阻止我这样做的原因就是
会溅汤!
👇

吃面慢不爽
吃面快溅汤
那么问题来了
如何快速吃完一碗汤面,
并且不把汤汁溅到身上?
我们先看看
面条是如何溅汤的
前方低能
战斗人员请直接跳过
👇
○3!2!1——!吃——!!!视频中吃面过程为8倍慢放(每秒240帧)。吃面者为小虾本虾。
再看一下
关键时刻的慢动作
👇

○吸面瞬间16倍慢放
我们可以清楚地看到:面条并非直直地吸入口中,而是向着自己狠狠地甩了一下。面条带起的汤汁随之飞溅,一滴不落地被衣服接住。
如果慢动作看着还不过瘾,看下图详解👇

○吸面过程详解。面条的姿态以彩虹色呈现,顺序从1到6;面条末端轨迹以灰色虚线示出;从姿态3到姿态4的过程中,面条末端达到最大速度,用白色发光箭头表示;溅出的汤汁用金色圆圈标出位置,并用金色箭头标出速度的方向和大小。此图中面条处在姿态6。
仔细分析慢慢动作视频可知,面条在姿态3附近剧烈加速,汤汁主要是在此时脱离面条,飞溅出来的。
通过计算还可以得出,面条末端的最大速度约为24km/h,约为面条被吸入的平均速度(6km/h)的4倍之多!

到底是何种神秘力量让面条甩到这么快的速度呢?
为了更清楚地解释,我们先来看一种外观与面条差不多的物品,类似的原理让它轻易地超过音速(340m/s,或1224km/h),它就是:
鞭子

○尼龙伞绳牛鞭,图片来自Matthew Hrncir。鞭子有很多种,本文讨论的鞭子的共同点是:形如一根长长的绳子,从根部到末端越来越细,不可拉伸,并且弯折时有一定韧性。
形如上图👆的鞭子被正确挥动时,会发出**“啪!”**的巨大响声,在驱赶牲口和武术表演中有广泛的应用,如果在室内挥动,甚至会让不明真相的邻居以为是枪击,慌忙报警。
而发出响声的原因是:鞭子的末端(又叫鞭鞘,或鞭梢)的运动速度超过了音速,释放出冲击波。

当然,冲击波只产生一瞬间。最终传到我们耳朵里的不是冲击波本身而是冲击波激发的普通声波。
冲击波也是一种特殊的声波。声波就是振动在空气中的传播,可以类比平静湖面上的水波。
“蜻蜓点水”会在水面上的一点引起振动,振动向周围传播,就产生了一系列同心圆形的水波。

○蜻蜓点水,图片来自猪友之家。
而“小船儿推开波浪”就是不一样的故事了:船的前进速度超过了水波的传播速度,于是从船头往后拖出一系列水波,组成一个锥型。这就是冲击波的一种,叫做“艏波”,或“首波”。船的速度越快,首波的锥角越小。

○首波,图片来自析易船舶。
同样的道理,物体在空气中超音速运动也会放出锥型的首波,但是空气的波动是看不见的。无法看到空气中的冲击波,就无法证明鞭子的末端是超音速的。
但是好在这件事已经有科研人员在做了。

美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校的博士研究生,YouTube 科普频道 Smarter Every Day 的主播 Destin 老哥,邀请著名甩鞭艺术家 April Choi 来到实验室,用高科技手段详细记录甩鞭的全过程。

○April Jennifer Choi,大师级甩鞭艺术家、专家级吞火表演者、多项吉尼斯世界纪录保持者、卡特彼勒(Caterpillar,CAT)公司分析工程师,可谓“文体两开花”。图片来自Smarter Every Day。
研究人员借助高速摄像(每秒拍摄5000帧,播放效果相当于167倍慢放)和**“纹影法”**捕捉鞭鞘超音速运动发出的冲击波。
当空气的温度、密度不均匀时,通过空气的光线会发生微小的偏折。纹影法,是通过光学手段,让光线的偏折反映在图像的明暗上,从而实现空气波动的可视化。
不多说,上动图:

○用纹影法观察到鞭鞘超音速时产生的冲击波。图片来自Smarter Every Day。
为了研究鞭鞘超音速的动力学原因,研究人员还使用了红外线动作捕捉技术。
在鞭子和甩鞭者的手臂上每隔一段距离就固定一个反光片,天花板上有多个自带光源的红外摄像头,每秒500次闪光并捕捉反光片反射的光,定位每一个反光片的三维位置,最终效果就像这样:

○甩鞭的三维动作捕捉,来自Smarter Every Day。
emmm……这个看看就好了……我们正常人类还是观看正常的高速摄像吧👇

○这是一次比较完美的甩鞭操作。红色短线标示了鞭子运动部分和静止部分的分界。图片来自Smarter Every Day。
从上面的动图可以看出,鞭子被甩出之后形成了一个圆环,并向末端传播,快要传播到末端时,圆环打开,鞭鞘急剧加速,超过音速。
运动的物体携带着能量。当圆环携带着能量向左传播时,它经过的那一部分鞭子(红线右侧)却不再运动了。
而能量是守恒的。这就意味着整条鞭子上一定量的能量,被逐渐聚集到红线左侧越来越短,也越来越细,质量越来越小的一段鞭子上。
于是它的速度变得越来越快。最终,这一段鞭子小到质量等于零,理论上速度可以达到无穷大,但是当它达到音速时会放出冲击波,将能量释放掉。

○同一次甩鞭操作,图中箭头指示速度。图片来自Smarter Every Day。
现在我们把目光移回面条。
现在我们知道:面条末端的速度能达到吸面速度的4倍,也是因为能量被逐渐集中到越来越短的一段面条上。
但是由于吸面这一动作本身输入的能量很小;而且面条不像鞭子一样越到末端越细,能量聚集效果没那么明显;再加上没有人为了让面条末端速度更大而进行过专门的训练(毕竟我们的目标与之恰恰相反,是吃面不溅汤)所以面条没能超音速,有点可惜。

但是,超音速其实是比吃面还简单的一件事。
如果认为鞭子是人类发明的第一个能超音速的东西,那就太naive了。因为人类根本不需要任何发明就能实现超音速。
如果感到好奇
你就拍拍手吧**👏**
没错,拍手时两只手之间被挤出去的空气超音速了。拍手的“啪啪”声正是来自超音速气流产生的冲击波。

○用纹影法观察到拍手时发出的声波从手掌右侧发射出去。激发那些声波的冲击波极其微小,无法观察到。图片来自NPR。
当两只手以恒定的速度互相靠近,空气被挤出的速度就会越来越快地增大,直到达到音速。
这和甩鞭子、吃面条是完全不同的事情,但也是同样的道理:把双手具有的有限大的能量,集中在双手之间非常薄的空气层里,让微乎其微的那一点点空气超过了音速。
既然连拍手都是超音速
那么
自然界一切**“啪啪啪”**的声音
似乎都是超音速的结果

如果感觉学到了点什么
你就拍拍手吧👏
现在我们知道了:**当有限大的能量集中在很小很小的物体上,一定会发生很厉害的事情。**而这些事情在日常生活中一般是有害的,比如高楼顶端在大风中剧烈振动、拉屎溅水花……
emmm……
所以说,要想快速吃面还不溅汤,就只能智取了。
那么,在文章的最后,让我来推荐3种吃面不溅汤又不影响速度的方法(不接受“把面放在勺子里再吃”之类的文明吃法!):
1. 贴着碗边吃,让面条甩不起来。

○请原谅我的灵魂P图
2. 把头伸到碗的前面吃,让面条往前甩,汤往前溅,不会溅到自己身上。

○请再次原谅
3. 一刀两断吧!

在此特别感谢北京大学物理学院的刘树新老师。
刘老师曾经在他主讲的《力学》课上留过一道思考题:“如何快速吃完一碗汤面并且不把汤溅到身上”,并且宣称:谁能做到并拍下视频发给我,这门课的总成绩加10分!
在场的同学们十分配合,嗯,十分配合地实现了老师一贯擅长的冷场效果……
其实老师是为了让我们明白能量守恒。不过我相信老师出这个题是认真的,不是真的想冷场,哈哈。
不知道当年的《力学》课有没有人加上那10分。但总之这个问题成了我这篇文章的灵感。
参考资料:
Smarter Everyday 甩鞭实验视频:
https://www.youtube.com/watch?v=AnaASTBn_K4
NPR拍手视频:
https://www.youtube.com/watch?v=px3oVGXr4mo
甩鞭理论计算文章:
Goriely, A., & McMillen, T. (2002). Shape of a cracking whip. Physical Review Letters, 88(24), 244301. doi:10.1103/PhysRevLett.88.244301
拍手文章:
Fletcher, N. H. (2013). Shock waves and the sound of a hand-clap–a simple model. Acoustics Australia, 41(2), 165-168.
