世界工程日丨在超级工程——胡佛大坝上倒水，水能往上流，“奇观”是怎么形成的？

在超级工程——胡佛大坝倒水出现水往高处“飘”的现象，一方面是拱形的大坝结构让气流在大坝上方加速，形成较大的向上的力，其中的力学原理就是著名的伯努利原理；另一方面，水有流动性且易被吹散，分散后的水更易被吹往高处。这一“奇观”依然离不开牛顿的力学体系。

图注：网传视频截图

最近有一视频传得火热，有游客在美国的胡佛大坝上倒水，本想着能把水倒出去，结果水是倒出去了，但是并没有往下流，而是飘了起来，往上飞走了。好像有一股气流，在把水往上吹。那么，这是怎么回事呢？
视频拍摄者称胡佛大坝是“不归牛顿管的地方”、“水会往上跑”，这个表述的确有夸张的成分。通俗的说，倒出去的水，就是被风吹上来的，并不神秘。但是，很多人可能仅仅浮于表面，更深入的力学原理就无从了解了。其实，胡佛大坝拱形结构是此次“奇观”的主要原因。
一、胡佛大坝为什么要建成弯的？

图注：胡佛大坝 图源：大英百科全书

同三峡大坝一样，胡佛大坝也是一个非常著名的旅游景点。善于观察的同学一定发现了胡佛大坝的不同之处（上图）。我们通常见到的大坝都是直的大坝，世界上最大的水电站——三峡水电站的大坝就是直的（下图）。但是，胡佛大坝却是弯的，严格来讲胡佛大坝是拱形结构（重力拱坝）。

图注：三峡大坝 图源：中国长江三峡集团公司《长江三峡工程运行实录（2018）》
其实，大坝不管是直的还是弯的，只要能起到大坝该有的作用就是个好大坝。不过，两者也有一定的适用范围，或者说各有优缺点。**直坝比较适合大跨度，就像三峡一样，可以拦腰截断，但是为了提升抗水压能力，必须建的比较厚实。弯坝比较适合小跨度，利用拱形结构可以适当减小坝体的厚度。**胡佛大坝水面宽度约100m左右，约是三峡大坝的1/20，所以当初选择拱形结构是比较合适的。

图注:大坝横断面 图源：作者
无论是厚实的直坝，还是略薄的拱坝，其横断面都是梯形（如上图），这跟水的压力有关。**水深越深，水压越大。前段时间我们的奋斗者号就成功抗住了万米的水压。大坝的水压虽然没马里亚纳海沟那么大，但是胡佛大坝最深达162m，水压也有1.62MPa（取g=10 m/s^2），相当于16.2个大气压，好一点的高压锅也才2-3个大气压而已。所以，大坝需要建得比较厚实。
图注：拱形结构受力图 图源：作者
胡佛大坝的拱形结构可以让一侧的水压转换为结构内部相互的挤压力，**如上图所示，这可以大大提升结构的承载能力，在设计的时候就可以把大坝设计的薄一些。
二、拱形结构——水往高处流的主因
水往高处流的视频中，游客将水倒入的是大坝泄水的一侧，也就是胡佛大坝落差较矮的一侧（如下图）。由于胡佛大坝的拱形结构，整体上就像半个漏斗。并且，从下图可以看到，大坝两侧都是崇山峻岭，连绵到远方，正中间却是一条谷底河流。

图注：胡佛大坝就像半个漏斗 图源：大英百科全书
正是这样的地貌，造就了大坝顶部风力往上且较大的原因。其中的力学原理就是著名的伯努利原理，当流体从宽口处流到窄口处时，流速会增大（如下图）。对于胡佛大坝来讲，**当气流从远处吹来，由于拱形坝体的“收口”的形状，“管道”变窄，流速变大。于是，气流从底部往上吹，这就是水往高处飘的根本原因。**这就像神话中的风婆婆的口袋，打开口袋的时候，风就使劲的往外吹。

图注：伯努利原理 原图作者：Thierry Dugnolle（2012年3月23日）
三、水的流动——水往高处飘的次因
水能不能往高处流，取决于自身的重力和气流的“吹”力。如果重力太大，那么无论如何也是飘不起来的。倒出去的水，如果不能流动，而是依然保持一个整体，那么重力相对来说就较大。所以，水的流动性，是水往高处飘的另一个原因。
图注：水滴的形状 原图作者：Pbroks13（2009年7月2日）
跟我们想象的不一样，当水从杯中抛出的时候，刚开始由于液体表面的张力，这大团的水会趋向于球形。但是由于气流的作用，大团的水中间气流的“吹”力最大，会把水团吹成两团。如上图所示，周而复始，直至变成小水滴。这个时候，**气流还是那个气流，但是水却不是原来的水了，重力小了很多，**于是就出现了水往高处飘的现象。
胡佛大坝倒水出现水往高处“飘”的现象，依然离不开牛顿的力学体系。拱形的大坝结构，让气流在大坝上方加速，吹散了抛出去的水，从而将分散的水往高处吹去。参考资料：

[1]Hoover Dam https://www.britannica.com/topic/Hoover-Dam

来源：全民较真-腾讯新闻