文／穿山甲

人有三急，出門在外想上廁所，總是急著找尋公廁。但畢竟不是在家，沒有辦法知道廁所乾不乾淨。在解放的同時必須注意，會不會被便便濺起的水花滴到屁股。先不論容不容易致病，光是想到水滴的來源就會覺得不舒服。這個水花噴濺的現象，其實與跳水比賽有著密切的關係，我們知道跳水比賽的評分標準，是以動作的困難度、美感、姿勢與完成度有關，選手入水時濺起的水花大小，更是關鍵的評分標準。想減少便便或跳水濺起的水花，就不得不談到「沃辛頓射流」（Worthington Jet）這個現象。

氣柱坍塌 噴流射出



沃辛頓射流是一種流體力學現象，當一個固體或液滴，甚至是跳水運動員，以一定速度衝擊液體表面時，會在水面擠出一個向下凹陷的氣柱。由於表面張力會試圖縮小液體的表面積，且液體的重力與內部壓力也會試圖恢復平衡，這個氣柱會迅速塌陷回填。液體回填時會在中心相互撞擊，並轉化為向上的動能，從而將液體往上擠壓噴射出一道細長且高聳的水柱。

這個射流的高度與形狀，與許多因素有關。首先是物體撞擊的速度愈快，產生的凹陷愈深，射流就會愈高；其次是物體的形狀，譬如尖頭形狀會比平底產生更明顯的射流；如果物體的表面是親水性，則落入水中時，表面容易迅速被水包覆，從而讓產生的氣柱較小，而疏水性表面，在入水後表面會形成一層薄薄的空氣層將水隔開，這使得產生的氣柱較大，濺起的水花也自然變大；還有液體的性質，包括黏度、表面張力與密度等，都會影響射流的強度與持續時間，可以在水面添加界面活性劑，來改變表面張力的梯度，削弱反彈的能量；物體衝擊的高度與入射角度也需要一併考量。

以便便為例，如果想要減少便便噴濺的水花，我們可以在水面鋪一張衛生紙改變液體的表面張力，衛生紙不僅可以降低便便落下時的衝擊力，也可以減少氣柱的形成，在液體回填時更可以緩衝撞擊的力道，降低噴濺的現象。此外，便便的橫截面過大，也會增加噴濺的水花。

水花控制 殊途同歸



便便落下的角度也很重要，如果傾斜著落入水面，會比垂直的方式形成更大的橫截面，將激起更多的水花。

同樣地，跳水運動員在入水瞬間最好保持身體垂直，讓入水的截面積最小。這其實非常困難，因為跳水運動員必須完成動作，身體會在空中翻好幾圈，旋轉的慣性將會增加垂直入水的難度。入水時通常會將手掌平攤與水面接觸，這個跟直覺上雙手合掌指尖入水的想法不同。因為指尖入水時，身體前方會呈現類似錐形，水被錐形的斜面擠壓後，會朝阻力最小也就是斜面方向移動，進而將水斜向擠出水平面。若以手掌平攤入水，會有一個橫截面，這個橫截面將水往下壓，阻力最小的方向就會是水平方向，這些水朝橫向移動受到周圍水的影響而無法飛濺出來，水花自然就會變小。

沃辛頓射流是日常生活中常見的現象，例如雨滴落入水面或者咖啡機沖泡時的動作。仔細觀察就會發現這些看似無關的自然行為，都會產生相似的結果。理解沃辛頓射流的形成機制對於許多應用都很有意義，例如可以改善生物3D列印、塗層技術以及微流道藥物輸送的效率等，甚至能設計出更節能的控制方法。