半夜楼上的弹珠声是什么？| 科学DIY

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你可能在睡不着的午夜，听到楼上奇怪的弹珠声，或许也在恐怖小说里看到这种情节。

这种弹珠声，是睡不着的人的想象，还是真实存在的现象呢？

今天，我们通过一个小实验来告诉你，这种弹珠声的一大可能来源。

关键概念

水锤

材料和操作

软水管，洗衣机，马桶

这个实验很简单，如果你家有软水管，可以把软水管接到水龙头上。打开水龙头一段时间，然后迅速关上水龙头，观察水管的变化。

如果你的听力比较好，可以用厕所的马桶试一试。冲一下马桶，然后安静地听，马桶水槽的水接满之后的几下咕隆隆，咚咚咚，锵锵锵，咚锵咚咚锵的声音。

听一下下面这户水管老化的人家每次冲完马桶就会出现的恐怖弹珠声。住在这样的房子里可能会被半夜吓醒吧。

如果你家既没有冲水马桶，也没有水管子，那你就在你妈妈用洗衣机洗衣服的时候站在边上看好了。

洗衣机注满水之后，入水管关闭，入水管也会抖两下。如果你家的管道够糟糕，你也可以听到类似弹珠，或者锤子捶墙的声音。

原理

好吧，似乎弹珠声找到了可能的来源。但是，为什么水管会发出弹珠声呢？

大多数液体都是不能压缩的，也就是说不管你怎么压它，它的体积不会有太大的变化，和容易压缩的空气很不一样。

许多工具，利用的就是液体的不可压缩性，比如控制挖掘机机械臂运动的液压缸。

挖掘机的“关节”就是液压缸操控的

但是，液体的不可压缩性，对于管道系统来说却是一种致命武器。

这，就是水锤作用（water hammer）的原理。

水在管道里流动时，具有相当的动量。如果突然让水流停止，比如把龙头关上，猜猜会发生什么事？

因为水不能被压缩，弹性较差，它的动量会被转化为巨大的液压，就像一股冲击波，而这股冲击波会沿着管道传播。

当你把龙头开到最大，然后突然关上的时候，听到的那种痛痛痛的类似楼上小孩玩弹珠声音，就是水锤作用的实例，这也是这个名字的来源。

有时，你甚至可以亲眼观察到水锤作用。看一下你家洗衣机后面的管子在运行的时候是不是会抖几下。洗碗机、马桶使用时，有时也会听到水锤的声音。

突然关闭阀门时水锤作用导致的管道抖动

在水锤的长期作用下，水管可能会破裂渗水，家用电器也可能会因此损坏。公元前1世纪的时候，古罗马作家、建筑师维特鲁威（Marcus Vitruvius Pollio）就描述了罗马公共供水系统的铅管和石头管道连接处因为受到水锤作用而喷水的现象。

如果是大型的水管，里面流动的水流的动量更大，产生的水锤作用更强，造成的破坏力就更可观了。

一根直径为1米，总长为100千米的管道里的水的质量为8千万千克，相当于10辆火车。如果你突然把这个管子的开关关上，10辆火车造成的水锤作用可能会让管道立刻变形破裂。当然，家里的水管子也经不起水锤的折腾。

那么，工程师们怎么解决水锤作用的问题呢？

最有效的方法，就是降低水的流速。工程师还会制定管道操作规范，要求操作员不能过快地关掉阀门。

对于大型管道来说，使用飞轮（flywheel）也可以让断流的过程发生得缓慢些。在水力发电输水管道上常设有平压塔、液压蓄能器等抗水锤设备。

平压塔

如果是你家的水锤比较厉害，那么改造管道，或者在阀门附近增加抗水锤气压罐等设备都能减少关水时的冲击。

抗水锤气压罐

不过，造成水锤作用的除了上面讲到的液压冲击（hydraulic shock），还有热冲击（thermal shock）和差速冲击（differential shock）。

在双相系统（同时有水有气的管道）里，蒸汽的突然凝结也会造成水锤。

差速冲击则是在气体和液体的流速不一样的双相系统里产生的。一些人家的水管里堵住了一段空气，使用时也会出现诡异的水锤声，这就是差速冲击造成的。

所以呢，如果半夜听到弹珠声，是时候让邻居装一个抗水锤气压罐了。因为突然停止尿尿而全身水锤冷战的你这样想着。（大雾）