半夜樓上的彈珠聲是什麼?

好吧，似乎彈珠聲找到了可能的來源。但是，為什麼水管會發出彈珠聲呢？

大多數液體都是不能壓縮的，也就是說不管你怎麼壓它，它的體積不會有太大的變化，和容易壓縮的空氣很不一樣。

許多工具，利用的就是液體的不可壓縮性，比如控制挖掘機機械臂運動的液壓缸。

挖掘機的「關節」就是液壓缸操控的

但是，液體的不可壓縮性，對於管道系統來說卻是一種致命武器。

這，就是水錘作用（water hammer）的原理。

水在管道裡流動時，具有相當的動量。如果突然讓水流停止，比如把龍頭關上，猜猜會發生什麼事？

因為水不能被壓縮，彈性較差，它的動量會被轉化為巨大的液壓，就像一股衝擊波，而這股衝擊波會沿著管道傳播。

當你把龍頭開到最大，然後突然關上的時候，聽到的那種痛痛痛的類似樓上小孩玩彈珠聲音，就是水錘作用的實例，這也是這個名字的來源。

有時，你甚至可以親眼觀察到水錘作用。看一下你家洗衣機後面的管子在運行的時候是不是會抖幾下。洗碗機、馬桶使用時，有時也會聽到水錘的聲音。

突然關閉閥門時水錘作用導致的管道抖動

在水錘的長期作用下，水管可能會破裂滲水，家用電器也可能會因此損壞。公元前1世紀的時候，古羅馬作家、建築師維特魯威（Marcus Vitruvius Pollio）就描述了羅馬公共供水系統的鉛管和石頭管道連接處因為受到水錘作用而噴水的現象。

如果是大型的水管，裡面流動的水流的動量更大，產生的水錘作用更強，造成的破壞力就更可觀了。

一根直徑為1米，總長為100千米的管道裡的水的質量為8千萬千克，相當於10輛火車。如果你突然把這個管子的開關關上，10輛火車造成的水錘作用可能會讓管道立刻變形破裂。當然，家裡的水管子也經不起水錘的折騰。

那麼，工程師們怎麼解決水錘作用的問題呢？

最有效的方法，就是降低水的流速。工程師還會制定管道操作規範，要求操作員不能過快地關掉閥門。

對於大型管道來說，使用飛輪（flywheel）也可以讓斷流的過程發生得緩慢些。在水力發電輸水管道上常設有平壓塔、液壓蓄能器等抗水錘設備。

平壓塔

如果是你家的水錘比較厲害，那麼改造管道，或者在閥門附近增加抗水錘氣壓罐等設備都能減少關水時的衝擊。

抗水錘氣壓罐

不過，造成水錘作用的除了上面講到的液壓衝擊（hydraulic shock），還有熱衝擊（thermal shock）和差速衝擊（differential shock）。

在雙相系統（同時有水有氣的管道）裡，蒸汽的突然凝結也會造成水錘。

差速衝擊則是在氣體和液體的流速不一樣的雙相系統裡產生的。一些人家的水管裡堵住了一段空氣，使用時也會出現詭異的水錘聲，這就是差速衝擊造成的。

水錘作用

@Craig Shelley

所以呢，如果半夜聽到彈珠聲，是時候讓鄰居裝一個抗水錘氣壓罐了。因為突然停止尿尿而全身水錘冷戰的你這樣想著。（大霧）