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    • 听过说茶壶效应吗?物理学家刚刚才彻底量化了它的机制

      听过说茶壶效应吗?物理学家刚刚才彻底量化了它的机制插图

      差不多所有人类都知道:如果使用广口的容器倒水时,液体不止会沿着边沿竖直下落,同时也会贴在外壁上向下流动……但可能大家没有注意过,使用带有壶嘴的茶壶倒茶时,茶水也会从壶嘴外沿处贴外壁流下,这就是所谓的茶壶效应。对喝茶的人来说是个小麻烦。但对全世界的物理学家来说,它却构成了一个数十年未竟的棘手理论问题,这一课题曾经还孕育出一个诺贝尔奖——好吧,是搞笑诺贝尔奖。2019年,当荷兰物理学家提出一个量化模型,准确预测茶壶在倒水时漏出液体的精确流速时,我们认为研究人员终于揭开了对茶壶效应之谜。

      但显然还有更多的工作,以填补理论中的漏洞,维也纳技术大学(TU-Wien)和伦敦大学学院的物理学家承担了这些工作。研究人员说,他们终于为茶壶效应开发了一个完整的理论模型,描述惯性力、粘性力和毛细管力的复杂相互作用,这些力在满足某些条件时共同起到了重新引导液流的作用。然而,事实证明,重力并不那么重要;它所做的只是决定流动的方向。根据作者的说法,这意味着在月球上仍然会有茶壶效应,但如果你在国际空间站上倒茶就不会。

      研究人员在《流体力学杂志》9月号上发表的一篇论文中介绍了他们的理论计算结果。而现在他们又公布了为测试理论模型而进行的实验的结果。剧透一下:模型以优异的成绩通过考核。虽然这似乎是一个微不足道的难题,但所获得的见解可以帮助我们更好地控制流流,如,应用在微流控设备上。

      马库斯·雷纳在1956年首次描述了茶壶效应,并帮助开创了流变学(研究液体如何流动)领域。已故的斯坦福大学工程师和数学家约瑟夫·B·凯勒发现,漏水是由于空气压力而非表面张力,正如许多人所假设的那样。他和同事在1986年发表了一篇论文–这项工作为他们赢得了1999年的Ig Nobel奖。根据凯勒的说法,液体的压力在浇口处低于周围的空气,后者将茶水推到唇边和壶嘴外面。

      以下是基本的机制。在较高的流速下,最接近茶壶壶嘴的那层液体会分离,因此它的流动很顺畅,不会滴落。在较低的流速下,当发生流动分离时,这层液体会重新附着在壶嘴表面,从而导致滴漏。壶嘴的直径、壶唇的弧度以及茶壶所采用材料的 “润湿性”(液体喜欢与被另一种液体包围的固体接触)也是影响效应的因素。

      但它们并不是主要的罪魁祸首。2010年,法国物理学家证明,附壁漏水的实际原因是一种 “水力毛细管效应”,它可以阻碍(在较慢的倾倒速度下)液体从壶嘴中分离出来。所有其他因素可以决定这种水力毛细管效应的强度。那些物理学家建议将水嘴的唇部做得尽可能薄和尖锐,以减少滴漏,甚至可涂上超疏水材料。

      2019年的研究,共同作者Etienne Jambon-Puillet(当时是阿姆斯特丹大学的一名博士后)有天清洗实验室里的注射器中的圆柱形针头,对缠绕的水流感到着迷。他和几位同事建立了一系列垂直圆柱体,并向它们喷射染色水,对液体在不同流速下的表现进行录像。他们发现,水柱在高流速下保持直线路径,而随着流速的降低,水开始有一点偏转。在更低的流速下,水开始盘旋并 “依附” 在圆柱形表面上,然后旋转形成一个螺旋。

      作为奖励,研究人员的新模型准确地预测了这种 “粘附” –而不是脱离–像圆柱体(或茶水嘴)这样的固体表面的关键过渡何时会发生。他们得出的结论是,当静水吸力和湿润之间存在耦合时,当茶液向下流动时,它就会与茶壶的侧面结合起来。

      这篇最新的论文与之前的那些研究一致,也显示出下降到一个临界流速以下会产生茶壶效应。根据作者的说法,水滴不可避免地在壶嘴唇下的尖锐边缘形成,确保这一区域始终被打湿。流速决定了这些水滴的大小。在最低的流速下,水滴可能大到足以将整个水流转向边缘,茶水就会漏下来。

      惯性帮助流体保持其原始方向。毛细管力减缓了壶嘴处的流速。其他关键因素是液体表面与茶壶壁之间的接触角,以及茶壶材料的亲水性(或湿润性)。角度越小,或材料越亲水,液体的脱离速度就越慢。

      “尽管这是一个非常常见且看似简单的效应,但要在流体力学的框架内准确地解释它是非常困难的,”共同作者Bernhard Scheichl(维也纳大学)说。”我们现在首次成功地从理论上解释了这种水滴形成的原因,以及为什么边缘的底面总是保持湿润。

      当然,一个好的工作理论的预测仍然必须通过实验加以验证。因此,Scheichl等人通过从一个倾斜的茶壶中倒水,改变流速(高、中、极低),并用高速摄像机捕捉这些动态来测试他们的模型。在文末链接里的嵌入视频中,你可以准确地看到低于临界流速是如何导致边缘的湿润和茶壶效应的。

      广东·东莞
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