在倒茶時，茶水順著茶壺邊上滴下來，這就是所謂的“茶壺效應”，對普通喝茶的人來說是個小麻煩。但對全世界的物理學家來說，它卻構成了一個跨越數十年研究的棘手理論問題，并因為相關研究結果而獲得了諾貝爾獎。2019年，當荷蘭物理學家提出一個量化模型，準確預測一個茶壺在倒水時將滴出多少（或多少）的精確流速時，我們認為研究人員終于結束了對“茶壺效應”之謎的探討。但顯然還有更多的工作要做，以填補理論中的一些漏洞， 維也納技術大學和倫敦大學學院的物理學家承擔了這些工作。

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

研究人員在《流體力學雜志》上發表的一篇論文中介紹了他們的理論計算結果。而現在他們已經宣布了他們為測試其理論模型而進行的實驗結果。雖然這可能看起來是一個微不足道的難題，但所獲得的見解可以幫助我們更好地控制流體流動，例如微流控設備。

Markus Reiner 在1956年首次描述了“茶壺效應”，并幫助開創了流變學（研究液體如何流動）領域。隨后，已故斯坦福大學工程師和數學家 Joseph B. Keller 進行了自己的調查，并得出結論，滴水是由于氣壓而不是表面張力造成的，正如許多人所假設的。他和同事Jean-Marc Vanden-Broeck在1986年發表了一篇論文--這項工作為他們贏得了1999年的搞笑諾貝爾獎。根據 Keller的說法，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分離，因此它的流動很順暢，不會滴落。在較低的流速下，當發生流動分離時，這層液體會重新附著在壺嘴表面，從而導致滴漏的流動。壺嘴的直徑、壺嘴的弧度以及茶壺所采用的任何材料的"潤濕性"（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首。2010年，法國物理學家證明，滴水的實際原因是一種"水力毛細管效應"，它可以防止（在較慢的傾倒速度下）液體從壺嘴中分離出來，從而實現流暢、干凈的流動。所有其他因素在決定這種"水力毛細管效應"有多強方面起著作用。那些物理學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（當時是阿姆斯特丹大學的一名博士后）有一天對他在實驗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，對液體在不同流速下的表現進行錄像。他和他的同事們發現，水柱在高流速下保持直線路徑，而隨著流速的降低，水開始有一點偏轉。在更低的流速下，水開始盤旋并"依附"在圓柱形表面上，然后旋轉形成一個螺旋。

作為獎勵，研究人員的新模型準確地預測了這種"粘"在--而不是脫離--像圓柱體（或茶水嘴）這樣的固體表面的關鍵過渡何時會發生。他們得出的結論是，當靜水吸力和濕潤之間存在耦合時，當茶液向下流動時，它就會與茶壺的側面結合起來。

這篇最新的論文與之前的那些研究是一致的，也表明下降到一個臨界流速以下會產生“茶壺效應”。根據作者的說法，水滴不可避免地在壺嘴下的尖銳邊緣形成，確保這一區域始終被打濕。流速決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水流轉向邊緣，茶水就會滴落下來。

至于工作中的力量，慣性幫助流體保持其原始方向。毛細管力減緩了壺嘴處的流速。其他關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。

“盡管這是一個非常常見且看似簡單的效應，但要在流體力學的框架內準確地解釋它是非常困難的，”共同作者Bernhard Scheichl（維也納大學）說。“我們現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。”

當然，一個好的工作理論的預測仍然必須通過實驗加以驗證。因此，Scheichl等人通過從一個傾斜的茶壺中倒水，改變流速（高、中、極低），并用高速攝像機捕捉這些動態來測試他們的模型。在上面的視頻中，你可以準確地看到低于臨界流速是如何導致邊緣濕潤和“茶壺效應”的明顯滴漏的。

【來源：cnBeta.COM】

關鍵詞： 物理學家 茶壺 之謎