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Vol.109 马桶如何吸走你的大便

当屎抵达消化的最后一关,刺激直肠壁产生便意。站立时,耻骨直肠肌将直肠拉紧,加上肛门外括约肌收缩,将屎牢牢憋住;直到稳坐马桶,肌肉放松,肛肠角增大,为屎开出放行条。

马桶拯救了当代人无数个十万火急的时刻,它是如何将你的屎连同烦恼畅快地带走的?

当你按下按钮,带动杠杆或液压装置拉起水箱底部的水塞,水迅速冲进马桶后,水塞重新合上,同时浮块下沉,打开进水阀开始注水;浮块上升到一定高度后关闭阀门,避免水箱溢满。

按照冲水方式,今天的马桶主要分为直冲式和虹吸式。

直冲式简单粗暴,完全依靠水的重力加速度将屎冲进较宽的排污管(9~10cm),产生的巨响让楼下住户都能清楚掌握你的如厕时间;

虹吸式的排污管类似 S 形,直径更窄(5~6cm)得以引发虹吸效应。当水迅速排出管道里的空气,在挡水堰处形成负压;正常大气压下,便池里压力较高的水挤向低压区,实现水往高处流,统统把大便吸走。

冲洗完毕,便池口还留着一些水,叫做水封,隔绝管道废气。与虹吸式相比,直冲式要低些,大便降落容易挂在内壁,因此桶身后部要比前部陡,确保目标顺利掉落水中央。

健康的大便一般会慢慢沉入水封中,与便池水混合成为黑水,像这种浮在水面的大便需要花更多的能量才能冲走。通过简单的运算就能得出这个结论。

根据浮力原理,浸没部分的体积与排开的水的体积相等,大便受到一定浮力,本身的重量向下,因此其垂直方向上的合力为二者之差。当密度比小于 1,合力向下,大便会下沉。

大便在水中的垂直移动距离是从 z1 到 z2,流水克服大便惯性所需要的能量 Ei 为合力乘距离,与水下落的动能 Ek 相等(忽略空气阻力)。通过这条等式,我们知道将大便冲掉的用水量取决于大便的密度和冲洗水的势能。假设水箱进水阀离水封 10cm,冲掉浮大便的水量是冲掉沉大便的 3~4 倍。

但你很难确定第二天拉出的屎是沉还是浮。为了达成用最少的水实现大冲力、让屎永不回头的目标,还得靠改进马桶设计。

一种方法是从排污管下手。早期的挡水堰基本呈直角,水与上沿碰撞形成湍流;另外,在这个低压区域容易产生气穴,也被称为空穴现象,流体中的气泡快速出现并破裂,这些都会阻碍虹吸的进行。在科勒的这份专利中,挡水堰改成圆形管道,直道倾斜 4~6°,并在末端增加向下倾斜的挡板,引导水快速冲进排污口。改进后冲洗时间只需原来的一半。

另一种更常见的方法是改进水路。喷射虹吸式马桶在底部增加了喷射口,80% 的水从这里冲进排污管,加快虹吸启动,余下 20% 从边缘分布的小孔流出,冲刷内壁。但如果水质差,这种马桶的边缘孔容易结垢,影响冲力。

漩涡虹吸式马桶则是在边缘喷出两股强劲的水流,产生漩涡,轻易冲下一百颗直径 1.9cm 的小球和粗墨线。

不过,这些测试物还不够可靠。真正验出马桶的性能,必须找一个与大便相似的材料——味噌,1 条 50g,方便控制软硬和黏度。喷射虹吸式马桶普遍能冲 1012 条(4.86L),冲力更强的漩涡式只用 4.8L 水就能吞下 20 条。

压力和真空辅助型马桶用水更少,前者靠压缩空气推动水箱排水;后者通过连接空气管,冲水时空气向上并在排污管制造真空吸力。但压力辅助型有一定风险,若元件焊缝处爆炸,极有可能炸烂水箱,甚至让你屁股开花。

如今动车和飞机用的是真空马桶,内壁喷涂特氟龙,按下冲洗键打开管线阀门,真空将大便迅速吸到中后部的储存缸,落地后运走。坐在马桶上最好不要轻易按下冲洗键,尽管垫圈与便池间有空隙,但难免会发生意外。

这还不够。新生代马桶拒绝一滴水,并且随走随带。放入纸垫,跟铺咖啡滤纸差不多,让大便掉进燃烧室,一次只花一块九毛八,就能将你的烦恼烤得干干净净。

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