物理学家揭秘『茶壶效应』

孙杨

你是否经常遇到这样的恼人现象：无论多么小心，从茶壶里倒出来的水总是不能按照预计的轨迹进入茶杯，而是顺着壶嘴、贴着壶壁，流到桌子上？每当这时，你是否也曾埋怨茶壶质量不好或者自己不够小心？其实，这还真不能怪茶壶或者倒茶人，这是一种非常常见的物理现象。

迷雾重重的“茶壶效应”

1965年，以色列物理学家马尔克斯·雷纳做了一系列“简单”的实验：用不同的流速将茶水从茶壶中倒出来，观察后续现象。雷纳按照从小到大的速度倒茶水，首先是非常慢的速度，依次加大到手动操作的最快速度。

依据生活经验，我们能想象这些不同速度下雷纳能接到的茶水量：茶水流速很小时，几乎全部茶水都会沿着壶嘴和外壁流到茶壶底部；随着茶水流速的增加，流出的水变成了两部分，一部分茶水开始摆脱壶壁的吸引，呈抛物线状流到茶杯中，另一部分仍然沿着壶壁流到壶底；当流速足够高时，水流才不再弯向壶身，最终能摆脱茶壶，注入茶杯，可是此时壶嘴边缘仍有水滴溢出，茶杯无法接到所有的水。

雷纳将这种现象称为“茶壶效应”，指的是液体在倒得太慢时，会顺着壶的一侧滴落的现象。液体速度越快，拥有的动能越大，越能保持出水时的运动方向，但为什么液体流速慢时就会被壶嘴“吸引”过去呢？当时，雷纳及同行们都认为这是表面张力和空气压力“拔河”的结果，在较低的流速下，液体的表面张力较大，从壶嘴流出来时会附着在壶嘴和壶壁上，随着流速的增加，液体表面张力小于周围的气压，后者将茶水推到壶嘴外面，因此水流流动很顺畅，附着的水滴变少。

但是，随着研究的深入，科学家们发现，用表面张力来解释“茶壶效应”并不全面。许多研究者找出了更多表面张力以外的与“茶壶效应”相关的因素，包括液体的流速、茶壶嘴边缘的曲率半径、茶壶的材质等，通过调整这些因素，能够避免“茶壶效应”。这些因素意味着“茶壶效应”不仅与液体的表面张力有关，背后还藏着更多的秘密，该如何解开谜团呢？

“茶壶效应”的“可视化”

多年以来，物理学家一直在研究这一现象背后的原理，直到最近，荷兰阿姆斯特丹大学和奥地利维也纳技术大学的一个联合科研团队才成功地从理论上完全理解了这种效应发生的原因，他们认为，是惯性力和毛细管力（毛细管效应指的是在毛细管内部流体能够不借助外力甚至克服重力而流动的现象，毛细管力是液体表面张力和液体分子与固体分子之间的粘合力的合力）的复杂相互作用导致了“茶壶效应”。

“茶壶效应”虽然是一个非常常见且看似简单的现象，但要定量地解释它是非常困难的，因此在实验过程中，研究人员还用高速摄像机拍摄了以不同速度倒茶的过程，使他们能够确认“从量变到质变”的过程。研究人员竖立了一系列直径为3毫米的垂直玻璃圆柱，并向它们喷射染色水，对液体在不同流速下的表现进行录像。

在实验中，研究人员首先在圆柱的一边以30°倾角向圆柱的另一侧喷射直径为0.5毫米的毛细水流。与日常生活一致，随着水流的初始流速变化，它们附着在圆柱表面并下落的路径有所不同：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，水流从简单的偏斜变成了盘绕，几乎完全附着在了圆柱体上。

之后，研究人员还用不同直径的玻璃管重复了这一实驗，以及用由特氟龙（不粘锅的涂层，一种稳定的低黏性材料）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角度。

水流从茶壶中被倒出来时，水滴最终会汇聚在壶嘴下边的尖锐边缘。水流的流速决定了这些水滴的大小，在最低的流速下，水滴可能大到足以将整个水流拉出边缘，茶水就会沿着壶壁流下来。其实质是毛细管力战胜了惯性力，惯性力确保流动的液体倾向于保持其原有方向，毛细管力减缓了壶嘴处液体的流速，形成更大的水滴来对抗惯性力。

研究人员还考虑了重力在“茶壶效应”中的作用程度，但得出的结论是，与所涉及的其他力量相比，它并没有决定性的作用。他们指出，重力确实决定了流体喷流的方向，但它的强度对该效应的发展并不重要。这意味着在月球上仍然会有“茶壶效应”，但如果你在国际空间站上倒茶就不会溢出。

当然，此次实验结果也解释了以前发现的其他因素是如何对“茶壶效应”产生作用的。其中，最关键的是壶嘴材料的润湿性，也就是液体润湿固体表面的能力。玻璃、陶瓷这类材料之所以容易被水粘附，是因为上面有许多细小的孔道会产生毛细作用，牵拉液体，增大液体的毛细管力，使液体顺着壶嘴流下。因此，在茶壶表面涂上类似荷叶结构的超疏水材料（这些材料已经被运用到雨衣、潜水服和冲锋衣等具有防水需求的衣物上），降低其润湿性，便能消除“茶壶效应”。另外，液体表面与茶壶壁之间的接触角越小，液体的脱离速度就越慢，也即水流挂壁越多，把壶嘴边缘设计得薄而锐利，有助于减轻“茶壶效应”，比如金属茶壶就不容易漏水。

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”，一旦流速过慢，液体就会出现上述的“粘”在容器边缘的现象，既浪费原料也伤害仪器。研究人员开发的模型能成功地预测出水流盘绕的阈值流动条件，或许可以成为帮助茶壶制造商和打印机制造商解决这种恼人的“茶壶效应”的重要工具。

（树摘自《大科技》2023年第7期）