每次倒茶總是弄撒？背后物理學原理大揭秘！

中國人自古以來就愛茶，各式各樣的茶壺數(shù)不勝數(shù)。但這些茶壺都有一個共同的特點——一不小心就容易滴得滿桌都是。這就是“茶壺效應”。

1965年，馬庫斯·萊納首次描述了“茶壺效應”，指的是液體在倒得太慢時，會順著壺的一側滴落，而不是形成一個獨立的水流。56年以來，物理學家一直在研究這一現(xiàn)象背后的原理。直到現(xiàn)在，維也納技術大學（TU Wien）領導的一個團隊才成功地從理論上完全理解了這種效應發(fā)生的原因。“茶壺效應”的關鍵在于在壺嘴邊緣的下方形成的水滴大小。如果倒茶的速度低于一個臨界值，水滴就會變得很大，足以引導整個茶水流向壺口邊緣，導致茶水滴落到壺中。

雖然這是一個非常常見且看似簡單的效果，但要在流體力學的框架內(nèi)準確解釋它是非常困難的。因此在對這一效應進行建模的同時，研究人員還用高速攝像機拍攝了以不同速度倒茶的過程，使他們能夠確認這一轉(zhuǎn)變。

根據(jù)該團隊的說法，支撐茶葉從壺嘴中流出的數(shù)學原理涉及慣性力和毛細力的復雜相互作用。(這種力正是將沙堡中的沙粒固定在一起并允許組織吸收水分的力量）。具體來說，前者的作用是確保流動的液體傾向于保持其原有方向。與此同時，后者則通過在茶壺壺嘴末端處減緩液體的速度，形成更大的水滴來對抗這種作用。

因此，當毛細力足夠強大時，茶水就會滿溢出來，而不是倒出來。對于生活中具體的某一個茶壺來說，這種轉(zhuǎn)換來自于在壺嘴和流動的液體表面之間的特定接觸角度。研究小組解釋說，這個角度越小，或者說茶壺的材料越可濕潤（或“親水”），液體流從壺嘴分離的速度就越慢。

這項研究是人類首次成功地從理論上解釋了“茶壺效應”的原因，以及為什么茶壺嘴尖尖的底部總是濕濕的。

研究人員還考慮了重力在茶壺效應中的作用程度，但得出的結論是，與所涉及的其他力量相比，它并沒有決定性的作用。他們指出，重力確實決定了流體噴流的方向，但它的強度對該效應的發(fā)展并不重要。

該研究的全部結果發(fā)表在《流體力學雜志》上，題為"Developed liquid film passing a smoothed and wedge-shaped trailing edge: small-scale analysis and the ‘teapot effect’ at large Reynolds numbers"。

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論文原文

https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/developed-liquid-film-passing-a-smoothed-and-wedgeshaped-trailing-edge-smallscale-analysis-and-the-teapot-effect-at-large-reynolds-numbers/96E58273086ADFBC27DCFF7E04164575

標簽： 茶壺 滴水 物理學