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铁粉杂谈
高调顶贴,放胆灌水

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近日北方杨絮肆虐,虽然现在已经没那么肆了,我这个热点也已经追不上了,但我相信大家被漫天杨絮虐的场景还历历在目吧!
生活在杨絮中的我们
人人都变成了遗落民间的B-box选手,我的鼻孔也长期充斥着白色毛毛,每天都得给亚清解释那是杨絮而不是衰老的鼻毛。我踏马就不明白了,杨絮是长眼睛还是装雷达了,不然为啥总是能精准地飞进人的鼻孔和嘴里??
这主要原因是杨树实在太多了。杨树又绿化又好养,树干还直,能用于建筑、制造行业,因此除成都外,全国很多城市都会种杨树。当空气中达到了106朵/m?的杨絮密度时,你1cm?的鼻孔怎么着也能分到1朵...
次要原因是鼻子和嘴巴都是对外界连通的。正如苍蝇不叮无缝的蛋,杨絮也不钻没有孔的人。但研究表明,有些人连杨絮毛毛都没见过,而有些人鼻孔往哪长,杨絮就冲哪钻,站大街上吃个棉花糖能越吃越多。
本质上讲,杨絮进入口鼻问题可以抽象为一个轻质蓬松小颗粒在粘性流体中的圆管非稳态流动。本文中,我们在第一部分对问题进行了系统的建模分析,在第二部分以本人的人肉实验亲自测试了吸杨絮的效果,进而给出了科学的解决方案!
一、杨絮入鼻的流体力学分析
人走路的时候一般不张嘴,所以杨絮进嘴的概率其实不大。只有在聊天、倒吸一口凉气、公开练习说唱、在大街上吃火锅等情况下才容易发生杨絮进嘴的尴尬场面,这并不具备普适性。
相比之下,杨絮顺着呼吸时溜进鼻孔里就极其频繁!因此下面我们以鼻孔作为主要研究对象,系统地为大家解析杨絮入鼻的影响因素。
鼻孔吸入杨絮的过程可以用经典的伯努利方程来定性描述。
考虑到人的鼻孔里面难免有鼻毛、鼻屎等,不能看作光滑的圆形管道。因此实际计算时,要在伯努利方程右端加上鼻毛鼻屎造成的沿程阻力项
鼻毛、鼻屎等给杨絮带来的阻力前人已经研究得比较透彻,由范宁公式给出
式中λ与ζ为无量纲系数,λ称为鼻孔摩擦系数,ζ称为鼻毛鼻屎摩擦系数。它们和鼻孔内气体流动的状态、鼻毛的密度、鼻屎的饱满度息息相关,下面试图计算λ与ζ。
正常人在呼吸时,鼻腔内的气体流速分布模拟图大概是这样[1]
鼻腔不同剖面上的速度分布图
由上图知,人吸气时的鼻孔气体流速u在3 m/s以下。人鼻孔直径d约为8mm,算出雷诺数约为
这说明人体鼻腔内的流动是平静的层流,但也有向剧烈的湍流过渡的趋势。因此,平静呼吸时的鼻孔摩擦系数可参考层流阻力的一次方定律,约为0.04
ζ的计算较为困难,因为鼻毛和鼻屎容易扰乱杨絮的路径,大坨鼻屎的后方甚至会形成气流漩涡。下图是拥有一大一小两坨鼻屎的鼻孔吸气时的模拟效果,可以看显著的漩涡
此时的鼻毛鼻屎摩擦系数只能勉强查查Moody摩擦系数图,由于涉及对鼻屎粗糙度的测量,此处不再赘述。有兴趣的读者可以自行挖鼻屎查图。
你看上面这些方程它又长又宽,仔细分析方程我们会发现,最核心决定了杨絮入鼻的因素其实有三个:
1、鼻孔直径d
2、肺部吸力u
3、鼻子长短l
这下问题就大大简化了,我们可以依次对这三个方面展开一些惨无人道的实验探究,从而得到三个因素对杨絮入鼻问题的影响大小,最终提出一套最优质的吸气方法!
二、减少杨絮入鼻的实验探究
这个实验方案非常简单,无非就是控制变量在不同条件下吸杨絮。
第一步应该先捕获杨絮。我们将实习生徐健美赶到室外告诉她收不到杨絮就开除她后,半小时即可集齐杨絮。她在收集过程中还看到杨絮落在狗尾巴上,这就是传说中的
采集来的杨絮直径大小不一,服从正态分布。为了实验的严谨性,我们从中从中挑选出样貌白皙、气质出众、能够成功进入鼻孔的小直径杨絮,完成样本搜集。
鉴于实验条件较为粗糙,品质不佳的杨絮和品质不佳的鼻孔都会造成实验误差,我们决定将实验建立在两条理想假设之上:
1、理想杨絮假设:杨絮为轻质蓬松的小颗粒,先进入鼻孔的杨絮不会对后续杨絮进入造成任何影响
2、理想鼻孔假设:我的鼻孔是一个内部光滑无鼻毛无鼻屎的圆柱形理想鼻孔
我们定义毕导在25℃、一个标准大气压下正常呼吸时的杨絮吸入量为1毕鼻(1bb),进而展开具体的实验探究。
【实验一】鼻孔直径对杨絮吸入量的影响
【实验方案】从鼻孔正上方落下等量杨絮,控制吸气量不变,调节鼻孔直径,统计吸入的杨絮数量
注:起初我们试图寻找三名拥有不同鼻孔直径的志愿者共同完成此项实验,但因为不同的人吸力不一,且周围的人都拒绝了我测量他们鼻孔直径的要求,此实验只能由我一人完成。
实验开始前,首先进行简单的鼻孔扩缩训练,确保自己够灵活控制鼻孔直径
仔细看,我鼻孔收缩了16回后还冒出了一个鼻涕泡
随后选取3种不同直径状态,用游标卡尺量出鼻孔直径
接着二话不说就是吸!我们抛出事先准备好的一杯杨絮,保持鼻孔正常直径大小,平静地呼吸!
AMAZING!正常呼吸情况下,杨絮可以轻盈地飘入我的鼻孔,甚至已经垂落的杨絮都会被重新吸附回来。
下面我将鼻孔里的杨絮掏出,并由徐健美统计杨絮的坨数。因为我的鼻孔是理想鼻孔,所以我们不考虑掏出鼻屎的可能性,也不展示掏出的过程
反正大概是这样
总之,正常情况下我掏出了4朵杨絮,即1毕鼻=4朵杨絮。
随后将鼻孔扩张至10.01 mm左右,重复实验,这次平平无奇地吸入了3朵杨絮。
最后,将鼻孔扩张至极限状态,是的没错,一个毕导的鼻孔直径竟然高达12.63mm,只需要3亿个鼻孔即可环绕地球一圈!重复实验
AMAZING!这次居然只吸入了2朵杨絮!健美甚至还能余裕满满地接住掉落的杨絮!不过这三次还真是完美地呈现了等差递减的状态啊!
【实验结论】鼻孔越大,吸入的杨絮越少。
其实这个现象很好解释。理想一维圆柱稳态层流鼻孔的气体流速分布为
在径向积分即可求出鼻孔内的吸气量,遵循Hagen-Poisenille方程
人在平静呼吸时,肺部体积扩张的速率是一定的,因此吸气速率Q为一定值。此时平均流速极其简单
因此,吸力量一定时,气体的平均流速和鼻孔半径的平方成反比。鼻孔大了,流速低了,能吸到周围空气的范围就会变小,吸入的杨絮自然也就减少了。由此我们可以得到
大鼻孔吸杨絮定理:鼻孔的直径越大,气体流速越小,吸入的杨絮量就越少。
所以我建议大家平时多用大拇指挖鼻孔。
引申极限思考:当你的鼻孔扩张为一个半无限大鼻孔,你甚至不需要考虑杨絮入鼻的困扰了,因为你的鼻孔就是全世界,杨絮甚至可以生根发芽,长成杨树;除此之外,单根杨絮纤维的直径约0.01 mm,如果你能把鼻子直径缩得比这个数还小,也能直接过滤杨絮。
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【实验二】肺部吸力对杨絮吸入量的影响
【实验方案】从鼻孔正上方落下等量杨絮,保持鼻孔直径不变,采用不同大小的肺部吸力进行吸气,统计吸入的杨絮数量
正常吸力实验我们沿用【实验一】中的标准数据,1毕鼻是4朵。接下来我们进行超强吸力的实验。
这次我要赌上男人的尊严,拿出高中男生测试肺活量互相攀比的劲儿,奋力吸气,以满脸通红眼睛瞪得像铜铃为宜
我特么都快抽抽过去了!但是AAAAAMAZING!因为我奋力一吸居然把所有飘落的杨絮都踏马吸进来了!连已经掉到下巴的都吸回来了!统计了一下总数,竟然到达了惊人了16朵!
休息五分钟,待缺氧的大脑完全清醒后我将2次实验数据进行对比
【实验结论】肺部吸力越大的人吸的杨絮越多。
你可能会说这个结论你不用脑子都能想到。但没办法,做科研发文章难免要凑数据量,大家应该都能理解。根据实验结论我们有理由猜测,肺活量大的人(如游泳运动员和唢呐演奏家)吸入了这个世界绝大部分的杨絮,建议大家少游泳、少吹唢呐。
【实验三】鼻子长短对杨絮吸入量的影响
【实验方案】从鼻孔正上方落下等量杨絮,采用不同长度的鼻子进行吸气,统计吸入的杨絮数量
鼻子长短意味着鼻孔沿程阻力的不同。有人就会问了,你都假设鼻孔光滑无鼻毛鼻屎了,为啥还有阻力呢?假设固然重要,但它也必须经受现实问题的修正。你的鼻子是一个堂堂正正、有血有肉有鼻屎的鼻子,有阻力非常正常。
将鼻子变短的方法非常简单,那就是
在猪鼻子的上方抛出杨絮,吸气!
这次藕断丝连地一共吸入了三朵。实验进行到这里,我已经分不清楚什么是我的鼻毛,什么是杨絮了,每次即便掏出所有鼻毛,我也觉得鼻子里充满杨絮。
那么如何将鼻子变长呢?我们给鼻子外接了吸管,构建出增长10 cm的人工鼻,进行长鼻吸入实验。理论上讲,由于路程变长沿程阻力也将会增大,气体流动困难,吸入杨絮应当会变少。
这特么!!!杨絮瞬间钻入吸管直接进入我的鼻孔里了啊!整整吸进去9朵!这踏马变少了个屁啊!但实验结果是不会错的,我们的理论分析宣告失败。
我反思了一下,主要是因为吸管内壁光滑,没增加什么阻力,反而对气流有汇聚作用,导致我吸入了前所未有的杨絮量...如果我往鼻子里插一根粗糙的管子比如蛋卷的话,相信吸入量一定会少很多...
【实验结论】从理论上讲鼻子越长的人吸的杨絮越少,但本次实验结果和理论出现了一定偏差。个人认为主要是实验对象的材质及摩擦系数造成的影响。我们期待本文的工作未来能激发更多科研人员进行深入的研究,总结出更为准确精炼的结论。
综上所述,要想不吸入杨絮,应当扩大鼻孔直径、缩短鼻孔长度、轻轻地吸。
海贼王路飞就深谙此道
因此我们在海贼王的剧情中,从来没有看到路飞被杨絮问题困扰过,这就是科学的力量。
展望思考
实验探究过后我还有一个奇怪的思考。我们在小学二年级的时候学过,流体的流动状态有层流和湍流。
举个例子,当我们拧水龙头的时候,慢慢拧的话水会平稳下流,这属于层流;而当开到最大的时候,可以看到水流紊乱急速喷出,这就是湍流。
但我们在小学三年级的时候也学过,流体的雷诺数4000时为湍流。前面我们算了,正常人的鼻孔里是层流。但雷诺数和直径、流速都相关,如果改变鼻孔大小,鼻子可能会由层流向湍流转化!
式中空气密度ρ=1.29kg/m3,黏性系数?=17.9x10^-6Pa?s。人在平静状态下每次呼吸大约4秒,吸气量约500ml,因此Q=1.25x10^-4 m3/s。考虑到一般人都有俩鼻孔,实际计算时Q要再减半。
令Re>4000,求得d
因此,当鼻孔直径d
湍流是极其复杂的问题!在湍流鼻的情况下,即使你正常呼吸,你的鼻子里气体运动也十分剧烈!此时我们前面的一切理论都会失效,鼻孔摩擦系数λ的计算方程会变得十分复杂。
比如鼻屎较多的粗糙湍流鼻孔可能遵循
这种复杂随机的物理过程会让鼻孔周围形成强烈的漩涡,对杨絮的流动产生巨大的影响,此时物理定律再也无法阻止你吸入杨絮。比如下面就是一个湍流鼻,一看就很难受
著名物理学家海森堡临终前说:“如果我见到上帝,我会带着相对论和湍流两个问题去问他。但我相信第一个问题上帝知道答案。”
所以你问我湍流鼻有什么用,当然是牛逼啊!大家都是层流鼻,就你鼻孔直径小,拥有独一无二的湍流鼻,这难道不是一件值得骄傲的事情吗!
结语
本文针对最近满城杨絮飞的神奇景象与困扰大家已久的杨絮钻鼻问题进行了絮谋已久的充分探究,最后总结出当采用尽力扩大鼻孔缩短鼻长轻轻地呼吸这一猪式呼吸法,推荐给大家。
当我兴致勃勃地将这个结论传授给周围的人后,健美突然提出了一个疑问
为什么我们不直接戴口罩呢?
我选择将其开除。
参考文献
1、Ishikawa S, Nakayama T, Watanabe M, et al. Visualization of flow resistance in physiological nasal respiration: analysis of velocity and vorticities using numerical simulation[J]. Archives of Otolaryngology–Head & Neck Surgery, 2006, 132(11): 1203-1209.
2、Ottaviano G, Scadding G K, Coles S, et al. Peak nasal inspiratory flow; normal range in adult population[J]. Rhinology, 2006, 44(1): 32.
3、Thompson A E. Nasal air flow during normal speech production[J]. 1978.

只看楼主

9条回复

沙发 清浅岁月  铁粉学士   | 发表于 2019-5-11 10:19 | 显示全部楼层
谢谢分享
板凳 赤手擒龙  铁粉学士   | 发表于 2019-5-11 11:25 | 显示全部楼层
谢谢分享
地板 zm_overflysky  铁粉文曲星   | 发表于 2019-5-11 16:47 | 显示全部楼层
谢谢分享
#5 maureen80  铁粉文曲星   | 发表于 2019-5-11 20:16 来自手机 | 显示全部楼层
感谢分享
#6 爱云的人   楼主| 铁粉文曲星   | 发表于 2019-5-12 00:24 | 显示全部楼层
多谢支持
#7 爱云的人   楼主| 铁粉文曲星   | 发表于 2019-5-12 00:26 | 显示全部楼层
多谢支持
#8 爱云的人   楼主| 铁粉文曲星   | 发表于 2019-5-12 00:26 | 显示全部楼层
多谢支持
#9 爱云的人   楼主| 铁粉文曲星   | 发表于 2019-5-12 00:26 | 显示全部楼层
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#10 爱云的人   楼主| 铁粉文曲星   | 发表于 2019-5-12 00:28 | 显示全部楼层
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爱云的人

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