為什麼水龍頭的水流落到洗手池的時候會形成一圈空白？

1樓：蒼原雪

當水的流量（立方公尺每秒）固定時，流速快則淺，流速慢則深。從能量的角度來講，有乙個概念叫做 Specific Energy，寫作 Es，中文應該是叫做「比能量」，指水流中單位重力（質量×重力加速度）的水包含的機械能，包括重力勢能和動能，單位是 m（公尺）。當流量固定時，比能量與水深的關係是這樣的：

橫軸為比能量，縱軸為水深，粉色的線上的點擁有相同的流量。由這個圖可知，對於每個固定的流量，存在乙個特定的水深 yc，當水深等於 yc 時水流擁有最低能量。高於 yc 的水流叫 subcritical flow，低於 yc 的是 supercritical flow。

而大部分情況下，水流一洩而出的時候能量都高於這個最低值，流速也非常快，比如很可能就對應上圖的 A 點。而在越流越遠，能量逐漸損失（河道摩擦）以後，由於流量不變，A 點就會沿著曲線慢慢像左上方移動。但這種移動十分微弱，可以忽略。

到達某一臨界情況時，通常是水底河道的障礙導致快而淺的水流無法通過，水流會從 A 點突變跳到 B 點，這就是水躍 water jump / hydraulic jump。通常 B 會比 A 靠左一些，這是水躍過程中的能量損失導致的（湍流耗散、聲音）。水躍以最小的能量損失維持了水流的連續性。

以上是常見的開水路（存在暴露的水面）水躍的原理。在水池中，隨著半徑的變大，水流的寬度（也就是周長）也越長，導致粘滯阻力越來越大。當達到某一臨界狀況時，水躍就會產生（也就是那個圈）。

通常來說，水躍的建立是「逆流而上」的。假設在一條開水路中很遠的地方有乙個隔板（障礙）。快而薄的水流無法通過，而必須變為緩而深的狀態才能通過。

當你將水從起點以較高的比能量（A 點）加入此開水路中時，一開始快而薄的水流會一路到達水路末端的隔板，並被阻擋。阻擋會使區域性水深加大。當水深到達 B 點對應的數值時，水躍就在末端隔板處建立起來，然後以一定的速度反向向上游（源頭）移動。

水躍的上游全都是快而薄的水流，下游全都是緩而深的水流。水躍的位置最終會穩定在乙個地點，即你最終看到的場景。

在水池中，末端的阻擋可以認為是水池四壁。