科学探索|科学家们通过实验详细解释“茶壶效应” 科学家们通过实验详细解释“

维也纳技术大学的科学家们回答了一个古老的问题：如何解释所谓的“茶壶效应”？长期以来，“茶壶效应”一直在威胁着一尘不染的白色桌布：如果从茶壶中倒出液体的速度太慢，那么液体的流动有时不会脱离茶壶，找到进入杯子的途径，而是在茶壶的外部滴落下来。
【科学探索|科学家们通过实验详细解释“茶壶效应”】

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这种现象已经被科学地研究了几十年--近日，维也纳技术大学的一个研究小组通过精心的理论分析和大量的实验，成功地完整和详细地描述了“茶壶效应” 。不同力量的相互作用使极少量的液体直接停留在边缘，而这足以在某些条件下改变液体的流向。
“茶壶效应”最早是由Markus Reiner在1956年描述的。Reiner于1913年在维也纳技术大学获得博士学位，然后移居美国，在那里他成为流变学--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。关于这一主题的工作在1999年被授予讽刺性的 “搞笑诺贝尔奖” 。现在，关于茶壶效应的研究已经完成，因为它是在Reiner的母校--维也纳技术大学，由流体力学和传热研究所讲师、奥地利摩擦学卓越中心（AC2T研究有限公司）的关键科学家Bernhard Scheichl博士周围的团队与伦敦大学学院的数学系合作研究的。

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Bernhard Scheichl说：“尽管这是一个非常常见的、看似简单的效应，但要在流体力学的框架内准确解释它是非常困难的。茶壶嘴底部的尖锐边缘起着最重要的作用：一个水滴形成了，直接在边缘下面的区域总是保持湿润。这个水滴的大小取决于液体流出茶壶的速度。如果速度低于一个临界阈值，这个水滴可以引导整个水流绕过边缘，滴落在茶壶的外壁上。”
Bernhard Scheichl表示：“我们现在首次成功地从理论上解释了这种水滴形成的原因，以及为什么边缘的底面总是保持湿润。这背后的数学原理很复杂--它是惯性、粘性和毛细管力的相互作用。惯性力确保流体倾向于保持其原来的方向，而毛细管力则使流体在壶嘴减速。这些力的相互作用是茶壶效应的基础。然而，毛细管力确保该效应只在壁和液体表面之间的一个非常具体的接触角开始。这个角度越小，或者茶壶材料的亲水性越强，液体从茶壶中分离的速度就越慢。”

有趣的是，相对于其他发生的力而言，重力的强度并没有起到决定性的作用。重力只是决定了喷射的方向，但它的强度对茶壶效应没有决定性作用。关于“茶壶效应”的理论计算由研究小组于2021年9月发表在《流体力学杂志》上。现在研究人员还进行了实验。水以不同的流速从一个倾斜的茶壶中倒出，并用高速摄像机进行拍摄。通过这种方式，可以准确地显示出低于临界浇注速度的边缘湿润是如何导致“茶壶效应”的，从而证实了该理论。