萬事萬物

當灑水器變吸水器會發生什麼事？

　你看過在公園草坪上邊灑水邊旋轉的灑水器嗎？這種裝置不需要複雜的構造，只要噴嘴是L形或S形彎曲的管子，高壓水柱噴出時，就可以利用「反作用力」讓灑水器旋轉。

　但是，當水「反方向」從噴嘴被「吸入」時，灑水器會如何轉動？科學家馬赫率先在一八八三年提出這個問題。

噴水和吸水並非可逆

　許多科學家的直覺反應是：「這很簡單哪！既然是逆過來的過程，那就跟噴水時灑水器轉的方向相反吧！」於是紛紛設計實驗，探究這個問題，結果卻令人困惑：跟噴水時的方向「順著轉」、「逆著轉」、「不大會轉」都有；甚至有研究觀察到更複雜的現象：「有時順，有時逆；一下快，一下慢」的亂轉。

　這些相互矛盾的結果，引起當時還是學生的諾貝爾物理獎得主，有「頑童物理學家」之稱的理查．費曼的興趣，他在大學的實驗室裡做這個實驗，結果引發大玻璃水瓶爆炸，後來這個問題就被稱為「費曼灑水器問題」。

　這個看似簡單的問題，連天才過人的費曼也沒能解決，到底難在哪裡？

　灑水器「噴水」時，是由灑水器內部「加壓」，水流順著噴嘴的方向流，並沿著同方向向外噴出，這是比較簡單的狀態；但是「吸水」時，內部「減壓」將管內的水吸走，噴嘴附近的水會從四面八方向噴嘴內流入，補充被吸走的水。過程中，噴嘴附近的水很容易形成紊流，吸入的水進入灑水器內部時，則會再一次形成紊流。

　所以，噴水跟吸水的關係，並不是「影像倒帶」般的逆轉，吸水的過程比噴水複雜得多，必須考慮灑水器的構造與材質、轉軸的摩擦力、噴嘴的形狀、水的流速等因素，以及複雜的流體力學作用，只要實驗條件稍有不同，就可能得到不同的結果，這也是研究結果如此分歧的原因。

方向相反且轉速不同

　近期，紐約大學的研究團隊設計了特製的灑水器，利用表面張力懸浮於水面上，使旋轉時沒有轉軸摩擦力，並且能夠精密控制噴水或吸水的流速，同時在水中加入螢光染料，以利觀察記錄水流的方向與速度。

　經過精密的實驗後，終於得到結論：灑水器「吸水」時的確會以「反方向」旋轉，但旋轉的速度只有噴水時的四十分之一，而且流速較不穩定。除了實驗之外，科學家也進行了流體力學的理論計算，結果也與實驗吻合。

可應用於開發新能源

　這個研究解決了從馬赫提出至今，困擾科學家一百四十年的物理問題。不過，我們使用的灑水器只會灑水，不會吸水，這種研究有什麼用呢？科學家表示，我們了解流體如何驅動灑水器的原理後，未來可用來開發新能源，如新型的洋流發電，甚至利用颱風發電。

　這些看似簡單生活的現象，如果進一步研究，可以讓我們對基本的科學原理有更深的理解，並且可能成為重要的應用科技呵！

主水槽內為模擬灑水器的吸／噴水旋轉裝置，下方有兩個L形噴嘴。利用幫浦讓水在主水槽、側水槽與儲水槽間循環，改變水流方向，就可以控制灑水器是吸水或噴水。