在倒茶時(shí)，茶水順著茶壺邊上滴下來(lái)，這就是所謂的“茶壺效應(yīng)”，對(duì)普通喝茶的人來(lái)說(shuō)是個(gè)小麻煩。但對(duì)全世界的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，它卻構(gòu)成了一個(gè)跨越數(shù)十年研究的棘手理論問(wèn)題，并因?yàn)橄嚓P(guān)研究結(jié)果而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。2019年，當(dāng)荷蘭物理學(xué)家提出一個(gè)量化模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)一個(gè)茶壺在倒水時(shí)將滴出多少（或多少）的精確流速時(shí)，我們認(rèn)為研究人員終于結(jié)束了對(duì)“茶壺效應(yīng)”之謎的探討。但顯然還有更多的工作要做，以填補(bǔ)理論中的一些漏洞， 維也納技術(shù)大學(xué)和倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家承擔(dān)了這些工作。

研究人員說(shuō)，他們最終為“茶壺效應(yīng)”開發(fā)了一個(gè)完整的理論描述，該描述抓住了慣性力、粘性力和毛細(xì)管力的復(fù)雜相互作用，這些力在滿足某些條件時(shí)共同起到了重新引導(dǎo)液體流動(dòng)的作用。然而，事實(shí)證明，重力并不那么重要；它所做的只是決定流動(dòng)的方向。根據(jù)作者的說(shuō)法，這意味著在月球上仍然會(huì)得到“茶壺效應(yīng)”，但如果在國(guó)際空間站上倒茶就不會(huì)。

研究人員在《流體力學(xué)雜志》上發(fā)表的一篇論文中介紹了他們的理論計(jì)算結(jié)果。而現(xiàn)在他們已經(jīng)宣布了他們?yōu)闇y(cè)試其理論模型而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雖然這可能看起來(lái)是一個(gè)微不足道的難題，但所獲得的見解可以幫助我們更好地控制流體流動(dòng)，例如微流控設(shè)備。

Markus Reiner 在1956年首次描述了“茶壺效應(yīng)”，并幫助開創(chuàng)了流變學(xué)（研究液體如何流動(dòng)）領(lǐng)域。隨后，已故斯坦福大學(xué)工程師和數(shù)學(xué)家 Joseph B. Keller 進(jìn)行了自己的調(diào)查，并得出結(jié)論，滴水是由于氣壓而不是表面張力造成的，正如許多人所假設(shè)的。他和同事Jean-Marc Vanden-Broeck在1986年發(fā)表了一篇論文--這項(xiàng)工作為他們贏得了1999年的搞笑諾貝爾獎(jiǎng)。根據(jù) Keller的說(shuō)法，液體的壓力在澆口處低于周圍的空氣，后者將茶水推到壺嘴外面。

以下是基本的工作解釋。在較高的流速下，最接近茶壺壺嘴的那層液體會(huì)分離，因此它的流動(dòng)很順暢，不會(huì)滴落。在較低的流速下，當(dāng)發(fā)生流動(dòng)分離時(shí)，這層液體會(huì)重新附著在壺嘴表面，從而導(dǎo)致滴漏的流動(dòng)。壺嘴的直徑、壺嘴的弧度以及茶壺所采用的任何材料的"潤(rùn)濕性"（液體喜歡與被另一種液體包圍的固體接觸）也是影響水壺是否滴漏的因素。

但它們并不是主要的罪魁禍?zhǔn)住?010年，法國(guó)物理學(xué)家證明，滴水的實(shí)際原因是一種"水力毛細(xì)管效應(yīng)"，它可以防止（在較慢的傾倒速度下）液體從壺嘴中分離出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)流暢、干凈的流動(dòng)。所有其他因素在決定這種"水力毛細(xì)管效應(yīng)"有多強(qiáng)方面起著作用。那些物理學(xué)家建議將壺嘴做得盡可能薄和尖銳，以減少滴漏，甚至可能在壺嘴涂上超防水材料。

2019年的研究是由于共同作者Etienne Jambon-Puillet（當(dāng)時(shí)是阿姆斯特丹大學(xué)的一名博士后）有一天對(duì)他在實(shí)驗(yàn)室里清洗的注射器中的圓柱形針頭周圍的液體如何纏繞感到著迷。他和幾位同事建立了一系列垂直圓柱體，并向它們噴射染色水，對(duì)液體在不同流速下的表現(xiàn)進(jìn)行錄像。他和他的同事們發(fā)現(xiàn)，水柱在高流速下保持直線路徑，而隨著流速的降低，水開始有一點(diǎn)偏轉(zhuǎn)。在更低的流速下，水開始盤旋并"依附"在圓柱形表面上，然后旋轉(zhuǎn)形成一個(gè)螺旋。

作為獎(jiǎng)勵(lì)，研究人員的新模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了這種"粘"在--而不是脫離--像圓柱體（或茶水嘴）這樣的固體表面的關(guān)鍵過(guò)渡何時(shí)會(huì)發(fā)生。他們得出的結(jié)論是，當(dāng)靜水吸力和濕潤(rùn)之間存在耦合時(shí)，當(dāng)茶液向下流動(dòng)時(shí)，它就會(huì)與茶壺的側(cè)面結(jié)合起來(lái)。

這篇最新的論文與之前的那些研究是一致的，也表明下降到一個(gè)臨界流速以下會(huì)產(chǎn)生“茶壺效應(yīng)”。根據(jù)作者的說(shuō)法，水滴不可避免地在壺嘴下的尖銳邊緣形成，確保這一區(qū)域始終被打濕。流速?zèng)Q定了這些水滴的大小。在最低的流速下，水滴可能大到足以將整個(gè)水流轉(zhuǎn)向邊緣，茶水就會(huì)滴落下來(lái)。

至于工作中的力量，慣性幫助流體保持其原始方向。毛細(xì)管力減緩了壺嘴處的流速。其他關(guān)鍵因素是液體表面與茶壺壁之間的接觸角，以及茶壺材料的親水性（或濕潤(rùn)性）。角度越小，或者材料越親水，液體的脫離速度就越慢。

“盡管這是一個(gè)非常常見且看似簡(jiǎn)單的效應(yīng)，但要在流體力學(xué)的框架內(nèi)準(zhǔn)確地解釋它是非常困難的，”共同作者Bernhard Scheichl（維也納大學(xué)）說(shuō)。“我們現(xiàn)在首次成功地從理論上解釋了這種水滴形成的原因，以及為什么邊緣的底面總是保持濕潤(rùn)。”

當(dāng)然，一個(gè)好的工作理論的預(yù)測(cè)仍然必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。因此，Scheichl等人通過(guò)從一個(gè)傾斜的茶壺中倒水，改變流速（高、中、極低），并用高速攝像機(jī)捕捉這些動(dòng)態(tài)來(lái)測(cè)試他們的模型。在上面的視頻中，你可以準(zhǔn)確地看到低于臨界流速是如何導(dǎo)致邊緣濕潤(rùn)和“茶壺效應(yīng)”的明顯滴漏的。

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關(guān)鍵詞： 物理學(xué)家 茶壺 之謎