撈面條的學問

撈面條的學問.txt昨天是作廢的支票；明天是尚未兌現(xiàn)的期票；只有今天才是現(xiàn)金，才能隨時兌現(xiàn)一切。人總愛欺騙自己，因為那比欺騙別人更容易。本文首刊于《力學與實踐）1994,16（4）:75-77撈面條的學問——兼談分離技術(shù)武際可（北京大學力學系，北京100871）撈面條用笊籬，這是常識。笊籬發(fā)明得相當早，大概有幾千年歷史。神話小說《封神演義》中說姜子牙發(fā)跡之前曾以編笊籬為生。這本小說是明朝人寫的，畢竟不是可靠的史料，所以不足為憑。較早記載是唐朝人段成式在《酉陽雜俎》中記述了安祿山受賞賜的物品，有銀笊籬一項。舊時飯鋪門口多掛一把笊籬作為幌子。清朝人李光庭在《鄉(xiāng)言解頤》中提到笊籬，說它的功能是“淅米、撈面、抄菜”，并附有一首詩表述以笊籬作幌子的情景：“家無長物漏卮多，流水難盈結(jié)柳科，曉起抄云堆白粲，夕來撈月漉金波，莫當漁舍懸答箸（注：裝魚的竹籠），不比歡場設叵籮（注：古時酒器），茅店招牌供一笑，破籬低掛綠楊柯?！斌苫h從撈面的功能晉升為飯店的標志，說明它的普及和重要。然而還有一種只用筷子不用笊籬的撈面方法，而且要撈得干凈，不知你可曾想到，這可不是出偏題，它對于手頭缺少一把笊籬的新婚夫婦，或是雖有但不常吃面條（笊籬一定積滿灰塵，洗起來太麻煩）的主兒，興許還是有一點現(xiàn)實意義的。用筷子挑面條，開始比較容易，問題是剩下最后幾根面條如何撈起。方法是，先使鍋離火，免去沸騰帶來的麻煩。然后用筷子在鍋里作圓形攪動，使面湯旋轉(zhuǎn)起來，這時面條便自然會集中到鍋底中心，用筷子到鍋底中心去夾。如此重復幾次，面條便會一根不剩。不信請君一試便知。熟悉流體力學的人，不難對面條向鍋底中心集中給出解釋，這就是所謂二次流問題。如果將旋轉(zhuǎn)起來的面湯看為一次流動，這時湯的微團作圓周運動，圓周運動時微團加速度指向圓心。按照流體運動，微團加速度和壓力梯度的符號相反，所以壓力強度從鍋中心向鍋邊是增加的，即愈遠離中心壓力愈大。在鍋的上層這個壓力梯度同慣性力是平衡的。另一方面再看鍋底的一層流體，由于鍋底與流體的摩擦以及流體的粘性，這層流體的速度很小，從而慣性力也很小，這時慣性力不能與壓差平衡就產(chǎn)生向中心運動的趨勢。粗略地說，一定存在沿圖1回路OABC的流體運動，這就是二次流。正是這個流動將面條帶到鍋底中心，又由于煮熟的面條比重較大，二次流的強度不足以攜帶面條上升到湯表面跟著二次流上下翻滾兜圈子，所以面條便準確地停在鍋底中心，等待筷子去夾。二次流的現(xiàn)象在日常生活中和自然界里是常見的。一杯泡好的茶葉，用勺子作圓形攪動，茶葉會向杯底中心聚集。在河流的彎道上，外圈河床要深，因為泥沙會被二次流帶到內(nèi)圈?，F(xiàn)在，讓我們將前面介紹的撈面條的兩種方法稍加總結(jié)。煮熟的面條和面湯混在一起，撈面條時如何根據(jù)面條和面湯的物理幾何性質(zhì)將它們分離。這樣問難免有點學究氣，但請別忙，這種將兩種或多種混合物的每一種成份分離開來的技術(shù)問題，從古以來，一直是科學家和工程師所執(zhí)著研究的重要課題之一，一般就稱為分離技術(shù)。這個問題的解決和推進會在物理學、化學和技術(shù)部門引起革命性的變化，但它的主要理論根據(jù)還得從力學上加以闡明。上述撈面條的兩種辦法正是解決這個問題的兩種典型途徑，姑且稱之為笊籬法和擾動法。笊籬的發(fā)明是很巧妙的，面條留在笊籬內(nèi)，面湯在重力作用下漏走了。而擾動法，無非使混合介質(zhì)造成一種運動，它的不同成份運動軌跡不同，在特定的地方去捕捉特定的物料達到分離的目的，這就是我們能用筷子夾起最后幾根面條的根據(jù)?？偨Y(jié)起來，人類迄今使用的基于力學原理的分離技術(shù)不外上述兩種撈面條辦法的延伸而已。當然也還有其它的分離技術(shù)，如利用沸點、溶解度不同，但這些都不是基于力學的原理，它超出我們討論的范圍。磨面時，要將面粉和麥皮分離，籮子就是笊籬的發(fā)展。各種各樣的篩子也是笊籬的變形。各種粒徑的粒狀物混合在一起，為了選取不同粒徑的物料。就要使用不同篩眼尺寸的篩子，分級過篩。聰明的漁業(yè)人員為了撈大魚，使小魚跑掉，以便它們長大再撈，采用適中網(wǎng)眼的魚網(wǎng)。推而廣之，濾紙、自來水公司的過濾池、洗衣的甩干機，無不是特殊的“笊籬”在自然界，地表的土和巖石構(gòu)成很好的濾層，雨水經(jīng)過它的過濾變成清沏干凈的礦泉水。在生物機體內(nèi)，無論動物、植物，廣泛存在著不同性能的薄膜，它使一些物質(zhì)通過，另一些物質(zhì)留住，例如腎小體薄膜可以使鹽、尿素等通過，而糖、蛋白質(zhì)不能通過，否則就會得糖尿病或腎炎。正是由于這些神奇的薄膜，才能使生物的新陳代謝正常進行。現(xiàn)代物理化學研究中，為了吸附一定大小分子而用的分子篩其原理也是一把精細的“笊籬”。這些“笊籬”形式各樣，功能不同，但共同點是一定的網(wǎng)眼尺寸和使介質(zhì)穿過網(wǎng)眼的驅(qū)動力。對笊籬，驅(qū)動力是重力，而對于其它形形色色的“笊籬”，驅(qū)動力可以是重力，也可以是施加的振動、電磁力、慣性力和滲透壓力、擴散的分子力等。而一般驅(qū)動力愈強，穿透物質(zhì)的效率也愈高。對于擾動法分離技術(shù)，也可以舉出同樣多的例子。至今農(nóng)村在打麥時還在使用的揚場技術(shù)，就是一個最原始的例子。揚場手看準了風向，將一锨麥粒和麥殼的混合物揚上去，麥?；旧涎貟佄锞€下落，而麥殼卻被風吹向另一邊，從而使它們分離。有經(jīng)驗的揚場手甚至可以在無風的條件下操作來達到目的。熟練的簸箕手，使用一把簸箕，施行搖、簸、溜、抖等動作，能使簸箕中的谷粒、秕糠，石塊完全分離。元朝王禎在《農(nóng)器譜》中所畫的揚扇（圖2）和現(xiàn)在人使用的慣性分離除塵器的原理大致是一樣的（圖3,4）。它們都是利用粒料運動軌跡不同而分離。在工業(yè)中，有一種旋轉(zhuǎn)分離機，它可以造成混合物高速旋轉(zhuǎn)，達到分離不同粒徑的粒料、分離比重不同的液體和除塵等目的。在自然界你可曾注意到一些河灘、海灘上的砂粒粒度總是均勻的。這是因為那里的流動特點適宜于沉積這種粒徑的砂子。近代物理中，為了捕捉不同的帶電粒子，將它們加速到一定速度，然后考察它們在強磁場中的偏轉(zhuǎn)，這就是精密分析混合物的質(zhì)譜儀原理（圖5）?？傊?，將它們加速到一定速度，然后考察它們在不同物理性質(zhì)的物體，讓它們運動起來，它們的不同性質(zhì)就得到充分的表演，即運動軌道不同，也易于分別捕捉它們。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國有一個研制原子彈的曼哈頓計劃，其中關鍵技術(shù)問題是鈾235的提煉問題。制造原子彈的材料鈾235,總是和鈾238混在一起，而后者不能產(chǎn)生鏈鎖反應，兩種同位素除原子量稍差以外，物理化學性質(zhì)完全一樣，何況天然鈾中鈾235含量只有0.7%。曼哈頓計劃首選的幾種方案中有：擴散法利用六氟化鈾的氣體在高壓下向一種特制的隔膜另一側(cè)擴散時，輕的分子擴散得稍快，經(jīng)過多次多級反復擴散可得到適當純度的鈾235。離心法使六氟化鈾氣體在密閉容器中高速旋轉(zhuǎn)，由于比重不同，內(nèi)側(cè)的鈾235濃度稍高，經(jīng)過反復進行也可以得到適當純度的鈾235，注意這里只有一次流就夠了。電磁法原理是基于前面介紹過的質(zhì)譜儀。鈾235比鈾238輕，軌道半徑也較小，所以在適當位置上安放收集器，可以得到相當純的鈾235。你看，這些方案和撈面條多么相似。不同的是鈾235畢竟不是面條，不那么好“撈”因而在每一環(huán)節(jié)上都需要精密地研究。例如，擴散法那張薄膜，需要布滿數(shù)十億個孔徑在0.01微米以下的孔，而且保證沒有一個孔徑超過0.01微米。這些孔不能被腐蝕擴大，也不能被塵埃阻塞，在強度上還得承受一個大氣壓的壓頭，擴散膜的總面積以若干英畝計。不僅如此，生產(chǎn)上用的泵、閥門都不許有任何泄漏。這些都是新的高難度技術(shù)，需要從頭研究解決。經(jīng)過數(shù)年努力，一個個難關都解決了，幾種方案一齊上馬建廠，曼哈頓計劃終于生產(chǎn)出了足夠數(shù)量的鈾235。說到這里，我們會領悟到，曼哈頓計劃不過是以大量人力物力財力精細地“撈取”鈾