說到物理學,你可能想到的是量子力學、相對論、固態物理,這種對一般人根本是天書的學科。

2026 年諾貝爾物理學獎,正當你以為物理學家都在研究宇宙深處的高能微中子,另一群物理學家卻在思考「男生尿尿到底要怎麼尿,才不會噴得到處都是?」(2026 年搞笑諾貝爾物理學獎)

所以,怎麼尿才不會亂噴?

研究發現,只要尿液與小便斗表面切線的夾角小於約 30°,就能大幅減少飛濺。說白了,就是不要直直往上面噴,盡量讓尿液沿著表面流下去。

甚至論文還特別提到,狗在樹上尿尿時,通常也會以較小的角度撞擊樹幹,因此不容易把尿噴到自己身上。

問題是,我們總不能要求每個人上廁所前,還要先掏出量角器確認自己的尿尿角度吧?

既然改變使用者的習慣太麻煩,那不如直接改造小便斗。

為了尿尿,開始解微分方程?

於是這群人開始研究小便斗到底該長什麼樣子。他們把尿液的軌跡分成俯視圖和側視圖,再利用「等角曲線」(isogonal curve),讓尿液不管往哪個方向射,都能以特定的角度撞上內壁。

先從俯視圖開始。

假設尿液從固定的位置射出,而小便斗的內壁可以用極座標表示:

r=r(α)r=r(\alpha)

其中 rr 是徑向距離,α\alpha 是極角。我們希望尿液不論往哪個方向射,都能與內壁切線保持固定的夾角 θ\theta。

根據極座標的幾何關係:

tan⁡θ=r⋅dαdr\tan\theta=\frac{r \cdot d\alpha}{dr}

稍微整理一下:

drdα=rtan⁡θ\frac{dr}{d\alpha}=\frac{r}{\tan\theta}

把 rr 移到左邊,α\alpha 移到右邊:

drr=dαtan⁡θ\frac{dr}{r}=\frac{d\alpha}{\tan\theta}

兩邊積分:

ln⁡r=αtan⁡θ+C\ln r=\frac{\alpha}{\tan\theta}+C

最後得到:

r=Beα/tan⁡θr=B e^{\alpha/\tan\theta}

這條曲線就是對數螺線(logarithmic spiral)。因為形狀像鸚鵡螺殼,研究人員便將這款小便斗命名為 Nautilus。名字還挺浪漫的,可惜是拿來接尿的。

至於側視圖就沒那麼簡單了。因為尿液受到重力影響,會沿著拋物線下落,而且尿到最後,流速也會跟著下降。

研究人員將尿液軌跡近似為:

z=kr2z=kr^2

再假設小便斗的內壁輪廓為 z=f(r)z=f(r),利用兩條曲線的切線夾角公式,便能得到:

Θ=2f(r)−rf′(r)r+2f(r)f′(r)\Theta=\frac{2f(r)-rf'(r)}{r+2f(r)f'(r)}

其中 Θ=±tan⁡θ\Theta=\pm\tan\theta。

這條微分方程解出來的結果包含對數函數與反正切函數。研究人員利用得到的曲線設計了另一款 Cornucopia 的小便斗。

完整的積分過程就先省略了。有興趣的人可以自己翻原論文。

所以,這玩意兒真的有用?

光是紙上算算當然不夠。他們 3D 列印做了一個模仿人體尿道的噴嘴,拿染色水模擬尿尿,再把濺出來的水收集起來秤重。

結果證明了,新設計的飛濺量只有一般商用小便斗的 1.4%。Nautilus 的開口還能做得比較低,小朋友和輪椅使用者也比較方便。

除此之外,他們還設計了另一個叫做 urine-no 的東西。

這次反過來,把尿液的撞擊角度設成 90°,故意讓尿液噴得到處都是。至於用途嘛,就是裝在那些經常有人隨地小便的牆壁上。

簡單來說,就是制裁那些亂尿尿的人。畢竟有些人講道理講不聽,可能真的需要一點物理上的教訓。

我想有了這個設計後,以後外掃區掃廁所的人,終於不用一天到晚在那裡拖小便斗前被噴出來的尿了(嘔)。

參考資料

Thurairajah et al., Splash-free urinals for global sustainability and accessibility: Design through physics and differential equations, PNAS Nexus (2025).