一個惱人日常效應背後的嚴肅科學

每當我們非常緩慢地將茶從茶壺裡倒出來時，茶水總是容易順著壺嘴、貼著壺壁、向下流到桌子上。其實，將液體從容器中倒出是一項技術活，一旦過慢，液體就會出現上述的「粘」在容器邊緣的現象。除了日常的倒水，一些如澆注、印刷和擠壓等工業過程也會遭遇這種「茶壺效應」。

為什麼會出現這種「茶壺效應」呢？數個世紀以來，制陶工人會通過調整容器的邊緣和鋒利程度來儘可能的避免這種效應，但我們卻缺乏對這種現象的確切理解。直到大約十年前，才有科學家證明，即便水流速度很快，容器表面的可濕性仍能控制液體流與固體表面的距離。

然而，儘管近幾十年來，茶壺效應越來越受到物理學家們的關注，但我們仍然缺乏一個能定量描述這種觀測現象的簡單模型，我們想要建立一個能夠準確地告訴我們這種依附會在何時發生的理論。

最近，荷蘭阿姆斯特丹大學、特文特大學和薩克森應用科學大學的一組科學家就對這種惱人的「茶壺效應」發起了挑戰。他們通過將水噴射到垂直的圓柱體上，觀察到液體可以附著在圓柱體上（就像茶水附著在茶壺上一樣），並且觀察到了水在這種附著效應下會圍繞圓柱體旋轉，從而盤旋成螺旋狀。通過對螺旋形狀和它的形成進行建模，研究人員首次預測出了確切的附著行為。他們將研究結果發表在了最新的《物理評論快報》上。

○ 實驗設計圖。| 圖片來源：E. Jambon-Puillet et al./Phys. Rev. Lett.

在實驗中，研究人員用了一些直徑為3毫米的垂直玻璃圓柱，然後在圓柱的一邊以30°傾角向圓柱的另一側噴射直徑為0.5毫米的毛細水流。當毛細水流附著在有弧度的表面上並落下時，它們的下落路徑可以非常複雜，他們用實驗將「茶壺效應」這一惱人日常變成了一種有趣的現象，並且揭開了藏在這些現象背後的嚴肅物理。

○ 將直徑為0.5毫米的毛細水流從直徑為3毫米的玻璃管的一側向另一側噴射，從左及右，水流速度分別為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。| 圖片來源：E. Jambon-Puillet et al./Phys. Rev. Lett.

他們首先測試的是在不同的水流速度下會出現的不同情況，發現在超過1毫升/秒的高流速下，圓柱體對毛細水流的直線軌跡幾乎沒有影響；隨著將流速降低，水流開始慢慢傾向於繞著圓柱體發生偏斜；當流速被降到大約0.5毫升/秒時，他們發現水流已經從簡單的偏斜變成了盤繞，幾乎完全徹底地附著在了圓柱體上。隨著水流繞著壁面繼續螺旋而下，水流會漸漸失去在使它盤旋的直輻射動量，在引力作用下直流而下。

○ 不同參數設置（玻璃圓柱體的直徑、水流的入射角度等）的重複實驗。| 圖片來源：E. Jambon-Puillet et al./Phys. Rev. Lett.

之後，研究人員還用不同直徑的玻璃管重複了這一實驗，以及用由鐵氟龍（Teflon，聚四氟乙烯，一種穩定的不粘材料）製成的圓柱體進行重複實驗。他們發現，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，就會形成一個液體螺旋，它的具體形狀取決於射流的初始速度和幾何。

隨後，研究人員發展了一個模型，能成功地預測出這種射流盤繞的閾值流動條件。這個模型或許可以成為茶壺和印表機製造商設計出避免這種惱人的「茶壺效應」的重要工具。

新的研究結果除了滿足了我們從理論角度的好奇心，而且還具有十分重大的應用意義。通過研究「茶壺效應」，我們或許能更好地控制通過空口的流動，為3D印表機等設備設計出更好的噴嘴。

參考鏈接：

[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

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