一个恼人日常效应背后的严肃科学
中科院物理所2019-05-15 12:05
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每当我们非常缓慢地将茶从茶壶里倒出来时，茶水总是容易顺着壶嘴、贴着壶壁、向下流到桌子上。其实，将液体从容器中倒出是一项技术活，一旦过慢，液体就会出现上述的“粘”在容器边缘的现象。除了日常的倒水，一些如浇注、印刷和挤压等工业过程也会遭遇这种“茶壶效应”。
为什么会出现这种“茶壶效应”呢？数个世纪以来，制陶工人会通过调整容器的边缘和锋利程度来尽可能的避免这种效应，但我们却缺乏对这种现象的确切理解。直到大约十年前，才有科学家证明，即便水流速度很快，容器表面的可湿性仍能控制液体流与固体表面的距离。
然而，尽管近几十年来，茶壶效应越来越受到物理学家们的关注，但我们仍然缺乏一个能定量描述这种观测现象的简单模型，我们想要建立一个能够准确地告诉我们这种依附会在何时发生的理论。
最近，荷兰阿姆斯特丹大学、特文特大学和萨克森应用科学大学的一组科学家就对这种恼人的“茶壶效应”发起了挑战。他们通过将水喷射到垂直的圆柱体上，观察到液体可以附着在圆柱体上（就像茶水附着在茶壶上一样），并且观察到了水在这种附着效应下会围绕圆柱体旋转，从而盘旋成螺旋状。通过对螺旋形状和它的形成进行建模，研究人员首次预测出了确切的附着行为。他们将研究结果发表在了最新的《物理评论快报》上。
○ 实验设计图。| 图片来源：E. Jambon-Puillet et al./Phys. Rev. Lett.
在实验中，研究人员用了一些直径为3毫米的垂直玻璃圆柱，然后在圆柱的一边以30°倾角向圆柱的另一侧喷射直径为0.5毫米的毛细水流。当毛细水流附着在有弧度的表面上并落下时，它们的下落路径可以非常复杂，他们用实验将“茶壶效应”这一恼人日常变成了一种有趣的现象，并且揭开了藏在这些现象背后的严肃物理。
○ 将直径为0.5毫米的毛细水流从直径为3毫米的玻璃管的一侧向另一侧喷射，从左及右，水流速度分别为1.2毫升/秒、0.57毫升/秒、0.54毫升/秒、0.5毫升/秒、0.62毫升/秒。| 图片来源：E. Jambon-Puillet et al./Phys. Rev. Lett.
他们首先测试的是在不同的水流速度下会出现的不同情况，发现在超过1毫升/秒的高流速下，圆柱体对毛细水流的直线轨迹几乎没有影响；随着将流速降低，水流开始慢慢倾向于绕着圆柱体发生偏斜；当流速被降到大约0.5毫升/秒时，他们发现水流已经从简单的偏斜变成了盘绕，几乎完全彻底地附着在了圆柱体上。随着水流绕着壁面继续螺旋而下，水流会渐渐失去在使它盘旋的直辐射动量，在引力作用下直流而下。
○ 不同参数设置（玻璃圆柱体的直径、水流的入射角度等）的重复实验。| 图片来源：E. Jambon-Puillet et al./Phys. Rev. Lett.
之后，研究人员还用不同直径的玻璃管重复了这一实验，以及用由铁氟龙（Teflon，聚四氟乙烯，一种稳定的不粘材料）制成的圆柱体进行重复实验。他们发现，无论在何种情况下，都能观察到相同的行为：一旦射流完全粘在固体上，就会形成一个液体螺旋，它的具体形状取决于射流的初始速度和几何。
随后，研究人员发展了一个模型，能成功地预测出这种射流盘绕的阈值流动条件。这个模型或许可以成为茶壶和打印机制造商设计出避免这种恼人的“茶壶效应”的重要工具。
新的研究结果除了满足了我们从理论角度的好奇心，而且还具有十分重大的应用意义。通过研究“茶壶效应”，我们或许能更好地控制通过空口的流动，为3D打印机等设备设计出更好的喷嘴。
参考链接：
[1] http://stilton.tnw.utwente.nl/people/snoeijer/Papers/Submitted/JambonPuillet2019.pdf
[2] https://phys.org/news/2019-05-tea.html
[3] https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.122.184501
来源：原理
编辑：重光
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