物理学家们终于解开“茶壶效应”之谜

在倒茶时,茶水顺着茶壶边上滴下来,这就是所谓的“茶壶效应”,对普通喝茶的人来说是个小麻烦。但对全世界的物理学家来说,它却构成了一个跨越数十年研究的棘手理论问题,并因为相关研究结果而获得了诺贝尔奖。2019年,当荷兰物理学家提出一个量化模型,准确预测一个茶壶在倒水时将滴出多少(或多少)的精确流速时,我们认为研究人员终于结束了对“茶壶效应”之谜的探讨。但显然还有更多的工作要做,以填补理论中的一些漏洞,维也纳技术大学和伦敦大学学院的物理学家承担了这些工作。

研究人员说,他们最终为“茶壶效应”开发了一个完整的理论描述,该描述抓住了惯性力、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体流动的作用。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得到“茶壶效应”,但如果在国际空间站上倒茶就不会。

研究人员在《流体力学杂志》上发表的一篇论文中介绍了他们的理论计算结果。而现在他们已经宣布了他们为测试其理论模型而进行的实验结果。虽然这可能看起来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体流动,例如微流控设备。

Markus Reiner 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。随后,已故斯坦福大学工程师和数学家 Joseph B. Keller 进行了自己的调查,并得出结论,滴水是由于气压而不是表面张力造成的,正如许多人所假设的。他和同事Jean-Marc Vanden-Broeck在1986年发表了一篇论文--这项工作为他们赢得了1999年的搞笑诺贝尔奖。根据 Keller的说法,液体的压力在浇口处低于周围的空气,后者将茶水推到壶嘴外面。

以下是基本的工作解释。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,从而导致滴漏的流动。壶嘴的直径、壶嘴的弧度以及茶壶所采用的任何材料的"润湿性"(液体喜欢与被另一种液体包围的固体接触)也是影响水壶是否滴漏的因素。

物理学家们终于解开“茶壶效应”之谜

但它们并不是主要的罪魁祸首。2010年,法国物理学家证明,滴水的实际原因是一种"水力毛细管效应",它可以防止(在较慢的倾倒速度下)液体从壶嘴中分离出来,从而实现流畅、干净的流动。所有其他因素在决定这种"水力毛细管效应"有多强方面起着作用。那些物理学家建议将壶嘴做得尽可能薄和尖锐,以减少滴漏,甚至可能在壶嘴涂上超防水材料。

2019年的研究是由于共同作者Etienne Jambon-Puillet(当时是阿姆斯特丹大学的一名博士后)有一天对他在实验室里清洗的注射器中的圆柱形针头周围的液体如何缠绕感到着迷。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。他和他的同事们发现,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"在--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是一致的,也表明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,茶水就会滴落下来。

至于工作中的力量,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,或者材料越亲水,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。在上面的视频中,你可以准确地看到低于临界流速是如何导致边缘湿润和“茶壶效应”的明显滴漏的。

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投稿时间:2021-11-13  最后更新:2022-03-07

标签:茶壶   效应   毛细管   流速   物理学家   物理学   茶水   水滴   研究人员   液体   理论

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