提出这个问题的人可能会被国际尼亚加拉委员会、国际尼亚加拉管理委员会、国际联合委员会、国际尼亚加拉董事会工作委员会找麻烦,很可能还包括圣劳伦斯河适应性管理委员会。与此同时,地球可能会因为这个问题中假设的情况而被毁灭。
好吧,这并不完全正确。对于这个问题描述的场景中存在的风险,真正显而易见的答案是:“尼亚加拉瀑布不适合通过一根稻草。”
液体通过某物时,流体的流速是有极限的。如果你泵送流体通过一个狭小通道,流体会加速。如果此处的流体是气体,当气体在窄缝中的流速达到声速时, 它会“噎住”。此时,气体在缝隙中将不能流动得更快。不过,你仍然可以通过增加压力的方式,使每秒通过窄缝的流量继续增加,这会进一步压缩气体。
对水而言,使其阻塞还有另一种原因。当一种流体快速通过某个通道时,由于遵循伯努利原理,流体中的压强下降。水总是“想”沸腾,却被气压压在一起。如果压力不足,水中就会产生沸腾的蒸汽。这被称为空化。
当水被迫高速通过一个通道时,空化气泡使其在整体上变得不那么致密。增大压强,试图让它更快地通过,只会使它沸腾得更快。即使水和蒸汽混合着以更快的速度流动,这也会使得通过通道的水的总量持续上升。
水流速度的另一个限制来自声速。我们无法用增压的方式使通过通道的水流加速至超过声速(在水中的声速)。如果你尝试使水的速度达到那种程度,那么通道的转弯处对它而言将是毫无用处的,因为水实在是有些重。
所以,要使尼亚加拉瀑布刚好能通过一根稻草,需要它流多快呢?它的流速是否可以超过声速呢?这很容易就能算出来。我们需要知道的是瀑布的流速以及要穿过的面积是多少。
尼亚加拉瀑布的流速至少是2800立方米/秒,这实际上是规律好的。尼亚加拉河供应的水量大概是8300立方米/秒,但是其中的大部分都被转移到隧道中用于发电了。不过,如果世界上最著名的瀑布完全被用于发电,游客一定会发怒的。所以,至少要有2800立方米/ 秒的水流量从悬崖上倾泻而下供人观赏(夜间和淡季为这个数字的1/2)。在接下来的几年里,瀑布可能会关闭维修。可能要看看他们能找到什么够酷的东西。(重要提示:如果你想把尼亚加拉瀑布的水导向一根稻草,你会违反《1950条约》中“2800立方米/秒”的限制。这一条约由国际尼亚加拉委员会监督执行,这个委员会由一个美国人和一个加拿大人组成。他们可能会对你感到不安,同样的,我在最开始所说的那些各种各样的组织都会感到不安,所以你要自己承担这些风险。)
一根标准的稻草直径大约为7毫米。要计算水流速度,我们只需要用流量除以面积。如果结果大于声速,水流会被堵塞,这就会产生一些问题。
显然,此处的水流速是光速的1/4。
从好的方面说,我们不需要担忧空化,因为当这些水分子碰撞到稻草的内壁时,很快会引发各种各样激动人心的核反应。在这些高能量的情况下,一切都是等离子体,所以沸腾和空化的概念甚至根本不适用。
但是情况变得更糟糕了!水柱的相对反冲力将会非常强。当然它还不足以将北美板块向南推动,但足以摧毁你制成这个水柱所需的所有设备。
事实上没有一台机器可以将如此多的水加速到相对速度。粒子加速器可以把物体加速到这个速度,但是他们通常采用小罐气体。你不能把尼亚加拉瀑布放进加速器。如果你非要这么做,科学家会非常生气的。
好心提醒一句,这一场景中粒子喷射产生的能量将大于地球上所有太阳能的总和。這个“瀑布”的输出功率相当于一个小恒星,它的光和热将会使地球温度迅速升高,海洋瞬间被煮沸,并在瞬间将地球变成一个不再适宜定居的地方。
所以,我祈求有人能站出来阻止这场灾难。