为什么茶壶总是滴水

为什么茶壶总是滴水？这一现象已经被科学研究了几十年——现在，一个研究小组通过精心的理论分析和大量实验，成功地完整而详细地描述了“茶壶效应”。于2021年9月在《流体力学》杂志上发表了对茶壶效应的理论计算过程。

　　

这一现象已经被科学地研究了几十年——现在，维也纳工业大学的一个研究小组通过详尽的理论分析和大量的实验，成功地完整而详细地描述了“茶壶效应”:不同力的相互作用使少量液体直接留在边缘，在某些条件下，这足以改变液体的流动方向。

这一影响有着悠久的历史

“茶壶效应”最早是由Markus Reiner在1956年提出的。赖纳于1913年在维也纳工业大学获得博士学位，随后移民美国，成为流变性学——流动行为科学的重要先驱。科学家们一次又一次地试图精确地解释这种效应。关于这一主题的研究在1999年被授予了讽刺性的“搞笑诺贝尔奖”。现在,研究茶壶效果又兜了回来,就读于莱纳的母校,你维恩,球队Bernhard Scheichl博士,讲师流体力学与传热和摩擦学的重要科学家奥地利卓越中心(AC2T研究GmbH),与伦敦大学学院数学系合作。

Bernhard Scheichl说:“尽管这是一个非常普遍且看似简单的效应，但要在流体力学的框架内准确地解释它却非常困难。”壶嘴底部的锋利边缘起着最重要的作用:形成一个水滴，边缘正下方的区域始终保持湿润。水滴的大小取决于液体从茶壶中流出的速度。如果速度低于一个临界阈值，这个水滴可以引导整个流体围绕边缘，滴在茶壶的外壁上。

Bernhard Scheichl说:“我们现在第一次成功地提供了一个完整的理论解释，解释了为什么这种水滴会形成，以及为什么边缘的底部总是湿润的。”其背后的数学原理是复杂的——这是惯性、粘性和毛细管力的相互作用。惯性力保证了流体倾向于保持其原来的方向，而毛细管力使流体在喙的右边下降。这些力的相互作用是茶壶效应的基础。然而，毛细管力保证了这种效应只在壁面和液体表面之间的一个非常特定的接触角开始。这个角度越小，或者茶壶材料的亲水性(即可湿性)越强，液体从茶壶中脱离的速度就越慢。

茶在太空

有趣的是，相对于其他发生的力，重力的强度并没有起决定性作用。重力仅仅决定了喷射的方向，但它的强度对茶壶效应并不是决定性的。因此，在月球基地喝茶时也能观察到茶壶效应，而在完全没有重力的空间站上则无法观察到。

该研究小组于2021年9月在《流体力学》杂志上发表了对茶壶效应的理论计算。现在实验也进行了:水从倾斜的茶壶中以不同的流速倒出来，并用高速摄像机拍摄。这样，就有可能确切地表明，在临界倾倒速率以下，湿润边缘是如何导致“茶壶效应”的，从而证实了这一理论。

茶壶效应视频:https://www.youtube.com/watch?v=jzZ2_Yh8c68&t=3s

Journal Reference:

1. B. Scheichl, R.I. Bowles, G. Pasias. Developed liquid film passing a smoothed and wedge-shaped trailing edge: small-scale analysis and the ‘teapot effect’ at large Reynolds numbers. Journal of Fluid Mechanics, 2021; 926 DOI: 10.1017/jfm.2021.612

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Vienna University of Technology. "Why teapots always drip: Scientists answer an age-old question." ScienceDaily. ScienceDaily, 9 November 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/11/211109120309.htm>.

Vienna University of Technology. (2021, November 9). Why teapots always drip: Scientists answer an age-old question. ScienceDaily. Retrieved November 9, 2021 from www.sciencedaily.com/releases/2021/11/211109120309.htm

Vienna University of Technology. "Why teapots always drip: Scientists answer an age-old question." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2021/11/211109120309.htm (accessed November 9, 2021).