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发信人: spaceflight (雨前龙井), 信区: Mechanics
标  题: [身边的力学]捞面条的学问——兼谈分离技术——武际可
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 15:15:52 2005), 站内

捞面条的学问——兼谈分离技术

武际可
 

    捞面条用笊篱，这是常识。

    笊篱发明得相当早，大概有几千年历史。神话小说《封神演义》中说姜子牙发迹之前曾以编笊篱为生。这本小说是明朝人写的，毕竟不是可靠的史料，所以不足为凭。较早记载是唐朝人段成式在《酉阳杂俎》中记述了安禄山受赏赐的物品，有银笊篱一项。旧时饭铺门口多挂一把笊篱作为幌子。清朝人李光庭在《乡言解颐》中提到笊篱，说它的功能是“淅米、捞面、抄菜”，并附有一首诗表述以笊篱作幌子的情景：“家无长物漏卮多，流水难盈结柳科，晓起抄云堆白粲，夕来捞月漉金波，莫当渔舍悬■■（注：装鱼的竹笼），不比欢场设叵箩（注：古时酒器），茅店招牌供一笑，破篱低挂绿杨柯。”笊篱从捞面的功能晋升为饭店的标志，说明它的普及和重要。然而还有一种只用筷子不用笊篱的捞面方法，而且还要捞得干净！不知你可曾想到，这可不是出偏题，它对于手头缺少一把笊篱的新婚夫妇，或是虽有但不常吃面条（笊篱一定积满灰尘，洗起来太麻烦）的主儿，兴许还是有一点现实意义的。用筷子挑面条，开始比较容易，问题是剩下最后几根面条如何捞起。方法是，先使锅离火，免去沸腾带来的麻烦。然后用筷子在锅里作圆形搅动，使面汤旋转起来，这时面条便自然会集中到锅底中心，用筷子到锅底中心去夹。如此重复几次，面条便会一根不剩。不信请君一试便知。

    熟悉流体力学的人，不难对面条向锅底中心集中给出解释，这就是所谓二次流问题。如果将旋转起来的面汤看为一次流动，这时汤的微团作圆周运动，圆周运动时微团加速度指向圆心。按照流体运动，微团加速度和压力梯度的符号相反，所以压力强度从锅中心向锅边是增加的，即愈远离中心压力愈大。在锅的上层这个压力梯度同惯性力是平衡的。另一方面再看锅底的一层流体，由于锅底与流体的摩擦以及流体的粘性，这层流体的速度很小，从而惯性力也很小，这时惯性力不能与压差平衡就产生向中心运动的趋势。粗略地说，一定存在沿图1回路OABC的流体运动，这就是二次流。正是这个流动将面条带到锅底中心，又由于煮熟的面条比重较大，二次流的强度不足以携带面条上升到汤表面跟着二次流上下翻滚兜圈子，所以面条便准确地停在锅底中心，等待筷子去夹。

    二次流的现象在日常生活中和自然界里是常见的。一杯泡好的茶叶，用勺子作圆形搅动，茶叶会向杯底中心聚集。在河流的弯道上，外圈河床要深，因为泥沙会被二次流带到内圈。

    现在，让我们将前面介绍的捞面条的两种方法稍加总结。煮熟的面条和面汤混在一起，捞面条问题是如何根据面条和面汤的物理几何性质将它们分离。这样问难免有点学究气，但请别忙，这种将两种或多种混合物的每一种成分分离开来的技术问题，从古以来，一直是科学家和工程师所执著研究的重要课题之一，一般就称为分离技术。这个问题的解决和推进将会在物理学、化学和技术部门引起革命性的变化，但它的主要理论根据还得从力学上加以阐明。

    上述捞面条的两种办法正是解决这个问题的两种典型途径，姑且称之为笊篱法和扰动法。笊篱的发明是很巧妙的，面条留在笊篱内，面汤在重力作用下漏走了。而扰动法，无非使混合介质造成一种运动，它的不同成分运动轨迹不同，在特定的地方去捕捉特定的物料达到分离的目的，这就是我们能用筷子夹起最后几根面条的根据。总结起来，人类迄今使用的基于力学原理的分离技术不外上述两种捞面条办法的延伸而已。当然也还有其他的分离技术，如利用沸点、溶解度不同，但这些都不是基于力学的原理，它超出我们讨论的范围。

    磨面时，要将面粉和麦皮分离，箩子就是笊篱的发展。各种各样的筛子也是笊篱的变形。各种粒径的粒状物混合在一起，为了选取不同粒径的物料。就要使用不同筛眼尺寸的筛子，分级过筛。聪明的渔业人员为了捞大鱼，使小鱼跑掉，以便它们长大再捞，采用适中网眼的鱼网。推而广之，滤纸、自来水公司的过滤池、洗衣的甩干机，无不是特殊的“笊篱”。在自然界，地表的土和岩石构成很好的滤层，雨水经过它的过滤变成清沏干净的矿泉水。在生物机体内，无论动物、植物，广泛存在着不同性能的薄膜，它使一些物质通过，另一些物质留住，例如肾小体薄膜可以使盐、尿素等通过，而糖、蛋白质不能通过，否则就会得糖尿病或肾炎。正是由于这些神奇的薄膜，才能使生物的新陈代谢正常进行。现代物理化学研究中，为了吸附一定大小分子而用的分子筛，其原理也是一把精细的“笊篱”。这些“笊篱”形式各样，功能不同，但其共同点是具有一定的网眼尺寸和使介质穿过网眼的驱动力。对笊篱，驱动力是重力，而对于其他形形色色的“笊篱”，驱动力可以是重力，也可以是施加的振动、电磁力、惯性力和渗透压力、扩散的分子力等。而一般驱动力愈强，穿透物质的效率也愈高。

    对于扰动法分离技术，也可以举出同样多的例子。至今农村在打麦时还在使用的扬场技术，就是一个最原始的例子。扬场手看准了风向，将一锨麦粒和麦壳的混合物扬上去，麦粒基本上沿抛物线下落，而麦壳却被风吹向另一边，从而使它们分离。有经验的扬场手甚至可以在无风的条件下进行操作来达到目的。熟练的簸箕手，使用一把簸箕，施行摇、簸、溜、抖等动作，能使簸箕中的谷粒、秕糠、石块完全分离。元朝王祯在《农器谱》中所画的扬扇（图2）和现在人使用的惯性分离除尘器的原理大致是一样的（图3，4）。它们都是利用粒料运动轨迹不同而分离。在工业中，有一种旋转分离机，它可以造成混合物高速旋转，以达到分离不同粒径的粒料，以及分离比重不同的液体和除尘等目的。在自然界你可曾注意到一些河滩、海滩上的砂粒粒度总是均匀的。这是因为那里的流动特点适宜于沉积这种粒径的砂子。近代物理中，为了捕捉不同的带电粒子，将它们加速到一定速度，然后考察它们在强磁场中的偏转，这就是精密分析混合物的质谱仪原理（图5）。总之，不同物理性质的物体，让它们运动起来，它们的不同性质就能得到充分的表演，即运动轨道不同，因而也易于分别捕捉它们。

    第二次世界大战期间，美国有一个研制原子弹的曼哈顿计划，其中关键技术问题是铀235的提炼问题。制造原子弹的材料铀235，总是和铀238混在一起，而后者不能产生链式反应，两种同位素除原子量稍差以外，物理化学性质完全一样，何况天然铀中铀235含量只有0.7％。曼哈顿计划首选的几种方案中有：

    扩散法    利用六氟化铀的气体在高压下向一种特制的隔膜另一侧扩散时，轻的分子扩散得稍快，经过多次多级反复扩散可得到适当纯度的铀235。

    离心法    使六氟化铀气体在密闭容器中高速旋转，由于比重不同，内侧的铀235浓度稍高，经过反复进行也可以得到适当纯度的铀235，注意这里只需一次流就够了。

    电磁法    原理是基于前面介绍过的质谱仪。铀235比铀238轻，轨道半径也较小，所以在适当位置上安放收集器，可以得到相当纯的铀235。

    你看，这些方案和捞面条多么相似。不同的是铀235毕竟不是面条，不那么好“捞”，因而在每一环节上都需要精密地研究。例如，扩散法那张薄膜，需要布满数十亿个孔径在0．01微米以下的孔，而且保证没有一个孔径超过0．01微米。这些孔不能被腐蚀扩大，也不能被尘埃阻塞，在强度上还得承受一个大气压的压头，扩散膜的总面积以若干英亩计。不仅如此，生产上用的泵、阀门都不许有任何泄漏。这些都是新的高难度技术，需要从头研究解决。经过数年努力，一个个难关都解决了，几种方案一齐上马建厂，曼哈顿计划终于生产出了足够数量的铀235。

    说到这里，我们会领悟到，曼哈顿计划不过是以大量人力物力财力精细地“捞取”铀235这锅“面条”，从而使核技术跨进一个新时代。当今，我们正在和将要更精细地“捞”更难“捞”的“面条”，以使人类科学技术进入更为发达的时代。仅仅从这个角度看，力学是多么重要！

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