物理學(xué)家揭秘『茶壺效應(yīng)』

孫楊

你是否經(jīng)常遇到這樣的惱人現(xiàn)象：無論多么小心，從茶壺里倒出來的水總是不能按照預(yù)計(jì)的軌跡進(jìn)入茶杯，而是順著壺嘴、貼著壺壁，流到桌子上？每當(dāng)這時(shí)，你是否也曾埋怨茶壺質(zhì)量不好或者自己不夠小心？其實(shí)，這還真不能怪茶壺或者倒茶人，這是一種非常常見的物理現(xiàn)象。

迷霧重重的“茶壺效應(yīng)”

1965年，以色列物理學(xué)家馬爾克斯·雷納做了一系列“簡(jiǎn)單”的實(shí)驗(yàn)：用不同的流速將茶水從茶壺中倒出來，觀察后續(xù)現(xiàn)象。雷納按照從小到大的速度倒茶水，首先是非常慢的速度，依次加大到手動(dòng)操作的最快速度。

依據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，我們能想象這些不同速度下雷納能接到的茶水量：茶水流速很小時(shí)，幾乎全部茶水都會(huì)沿著壺嘴和外壁流到茶壺底部；隨著茶水流速的增加，流出的水變成了兩部分，一部分茶水開始擺脫壺壁的吸引，呈拋物線狀流到茶杯中，另一部分仍然沿著壺壁流到壺底；當(dāng)流速足夠高時(shí)，水流才不再彎向壺身，最終能擺脫茶壺，注入茶杯，可是此時(shí)壺嘴邊緣仍有水滴溢出，茶杯無法接到所有的水。

雷納將這種現(xiàn)象稱為“茶壺效應(yīng)”，指的是液體在倒得太慢時(shí)，會(huì)順著壺的一側(cè)滴落的現(xiàn)象。液體速度越快，擁有的動(dòng)能越大，越能保持出水時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向，但為什么液體流速慢時(shí)就會(huì)被壺嘴“吸引”過去呢？當(dāng)時(shí)，雷納及同行們都認(rèn)為這是表面張力和空氣壓力“拔河”的結(jié)果，在較低的流速下，液體的表面張力較大，從壺嘴流出來時(shí)會(huì)附著在壺嘴和壺壁上，隨著流速的增加，液體表面張力小于周圍的氣壓，后者將茶水推到壺嘴外面，因此水流流動(dòng)很順暢，附著的水滴變少。

但是，隨著研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，用表面張力來解釋“茶壺效應(yīng)”并不全面。許多研究者找出了更多表面張力以外的與“茶壺效應(yīng)”相關(guān)的因素，包括液體的流速、茶壺嘴邊緣的曲率半徑、茶壺的材質(zhì)等，通過調(diào)整這些因素，能夠避免“茶壺效應(yīng)”。這些因素意味著“茶壺效應(yīng)”不僅與液體的表面張力有關(guān)，背后還藏著更多的秘密，該如何解開謎團(tuán)呢？

“茶壺效應(yīng)”的“可視化”

多年以來，物理學(xué)家一直在研究這一現(xiàn)象背后的原理，直到最近，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)和奧地利維也納技術(shù)大學(xué)的一個(gè)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)才成功地從理論上完全理解了這種效應(yīng)發(fā)生的原因，他們認(rèn)為，是慣性力和毛細(xì)管力（毛細(xì)管效應(yīng)指的是在毛細(xì)管內(nèi)部流體能夠不借助外力甚至克服重力而流動(dòng)的現(xiàn)象，毛細(xì)管力是液體表面張力和液體分子與固體分子之間的粘合力的合力）的復(fù)雜相互作用導(dǎo)致了“茶壺效應(yīng)”。

“茶壺效應(yīng)”雖然是一個(gè)非常常見且看似簡(jiǎn)單的現(xiàn)象，但要定量地解釋它是非常困難的，因此在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員還用高速攝像機(jī)拍攝了以不同速度倒茶的過程，使他們能夠確認(rèn)“從量變到質(zhì)變”的過程。研究人員豎立了一系列直徑為3毫米的垂直玻璃圓柱，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。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員首先在圓柱的一邊以30°傾角向圓柱的另一側(cè)噴射直徑為0.5毫米的毛細(xì)水流。與日常生活一致，隨著水流的初始流速變化，它們附著在圓柱表面并下落的路徑有所不同：在超過1毫升/秒的高流速下，圓柱體對(duì)毛細(xì)水流的直線軌跡幾乎沒有影響；隨著將流速降低，水流開始慢慢傾向于繞著圓柱體發(fā)生偏斜；當(dāng)流速被降到大約0.5毫升/秒時(shí)，水流從簡(jiǎn)單的偏斜變成了盤繞，幾乎完全附著在了圓柱體上。

之后，研究人員還用不同直徑的玻璃管重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)，以及用由特氟龍（不粘鍋的涂層，一種穩(wěn)定的低黏性材料）制成的圓柱體進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)，無論在何種情況下，都能觀察到相同的行為：一旦射流完全粘在固體上，就會(huì)形成一個(gè)液體螺旋，它的具體形狀取決于射流的初始速度和幾何角度。

水流從茶壺中被倒出來時(shí)，水滴最終會(huì)匯聚在壺嘴下邊的尖銳邊緣。水流的流速?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)水流拉出邊緣，茶水就會(huì)沿著壺壁流下來。其實(shí)質(zhì)是毛細(xì)管力戰(zhàn)勝了慣性力，慣性力確保流動(dòng)的液體傾向于保持其原有方向，毛細(xì)管力減緩了壺嘴處液體的流速，形成更大的水滴來對(duì)抗慣性力。

研究人員還考慮了重力在“茶壺效應(yīng)”中的作用程度，但得出的結(jié)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(shí)決定了流體噴流的方向，但它的強(qiáng)度對(duì)該效應(yīng)的發(fā)展并不重要。這意味著在月球上仍然會(huì)有“茶壺效應(yīng)”，但如果你在國際空間站上倒茶就不會(huì)溢出。

當(dāng)然，此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果也解釋了以前發(fā)現(xiàn)的其他因素是如何對(duì)“茶壺效應(yīng)”產(chǎn)生作用的。其中，最關(guān)鍵的是壺嘴材料的潤濕性，也就是液體潤濕固體表面的能力。玻璃、陶瓷這類材料之所以容易被水粘附，是因?yàn)樯厦嬗性S多細(xì)小的孔道會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)作用，牽拉液體，增大液體的毛細(xì)管力，使液體順著壺嘴流下。因此，在茶壺表面涂上類似荷葉結(jié)構(gòu)的超疏水材料（這些材料已經(jīng)被運(yùn)用到雨衣、潛水服和沖鋒衣等具有防水需求的衣物上），降低其潤濕性，便能消除“茶壺效應(yīng)”。另外，液體表面與茶壺壁之間的接觸角越小，液體的脫離速度就越慢，也即水流掛壁越多，把壺嘴邊緣設(shè)計(jì)得薄而銳利，有助于減輕“茶壺效應(yīng)”，比如金屬茶壺就不容易漏水。

除了日常的倒水，一些如澆注、印刷和擠壓等工業(yè)過程也會(huì)遭遇這種“茶壺效應(yīng)”，一旦流速過慢，液體就會(huì)出現(xiàn)上述的“粘”在容器邊緣的現(xiàn)象，既浪費(fèi)原料也傷害儀器。研究人員開發(fā)的模型能成功地預(yù)測(cè)出水流盤繞的閾值流動(dòng)條件，或許可以成為幫助茶壺制造商和打印機(jī)制造商解決這種惱人的“茶壺效應(yīng)”的重要工具。

（樹摘自《大科技》2023年第7期）