茶壶效应
喜欢喝茶的小伙伴一定遇到过下面这个苦恼：往茶杯里倒茶，一开始茶水像一条抛物线一样准确进入茶杯，收手的时候，最后几滴茶水往往会沿着茶壶往下滴，万一桌上铺了一块崭新的白色桌布，确实让人头疼不已。
图1. Markus Reiner 教授（1886-1976）
这种情况非常常见，但大家可能不熟悉它的名字。在科学领域，这被称为“茶壶效应”。早在1956年，流变学奠基人、以色列海法技术研究所的Markus Reiner教授就做了一系列实验来研究茶壶效应背后的机理，研究成果发表在了1956年《Physics Today》期刊上。
图2. 1956年Markus Reiner通过实验研究茶壶效应。
当水流速度很小时（图2左1），水流沿着壶嘴向下滴漏；提高流速后，虽然也有一些水沿着底部流下，但有一部分直接从壶嘴流出（图2左2）；继续提高流速，茶壶效应完全消失（图2左3-4），这是关于茶壶效应最早的科学研究。
搞笑诺贝尔奖
1986年，威斯康星大学麦迪逊分校的Jean-Marc Vanden-Broeck等人从流体力学理论角度分析了水在壶嘴中的流动，计算出了一个没有滴漏的茶壶嘴，最终凭借这一成果获得了1999年搞笑诺贝尔奖。
破解茶壶滴水的秘密
历经65年的研究，茶壶效应背后的秘密终于有了一个圆满的答案。在Markus Reiner教授的母校维也纳工业大学（TU Wien），流体力学与传热研究所、奥地利摩擦学研究中心（AC2T Research GmbH）的科学家Bernhard Scheichl博士与伦敦大学学院（UCL）数学系合作，对茶壶效应进行了研究。Bernhard Scheichl认为，茶壶效应看似简单，但要通过流体力学准确揭示背后的秘密非常困难。
图3. （a）茶壶效应；（b）液体流经壶嘴过程的物理模型。其中蓝色线条为流线，红色区域为壶嘴边缘。
研究小组经过详细的理论分析和大量的实验研究，认为水之所以会沿着壶嘴滴落，壶嘴下部锋利的下缘“功不可没”。
水滴虽小，作用巨大
图4. 从(a)到(f)研究范围不断缩小的流体分离过程分析。
在研究过程中，尤其是在靠近壶嘴下缘位置，研究者以流体微团为研究对象，而不是采用传统的双层流动模型（即流动过程中流体分为无粘性流动的上层MD和粘性流动的下层LD）。内部和外部瑞利流动模式（RS）决定了分离点处流体周围的弱扰动。
Bernhard Scheichl认为，人们在倒水的时候水流速度非常关键，如果流速低于临界阈值，就会在壶嘴边缘形成一个小水滴，而且水滴大小取决于流速。水滴的存在使得壶嘴下缘始终保持湿润，这滴水就会引导整个水流沿着壶嘴往下流，从而形成滴落，也就是茶壶效应。
那么，为什么会在壶嘴上形成小水滴？Bernhard Scheichl认为，这与小水滴的受力密不可分，水滴虽小，背后却是惯性力、粘性力和毛细管作用力的相互“较劲”。惯性力的作用是确保水流沿着最初的方向流动；到了壶嘴处，毛细管力使水流减速，但这种力只有当壁面和流体表面形成一个特定夹角后才能起作用，而且夹角越小，或者茶壶的材质亲水性越高，茶壶效应越明显，也就是白桌布越容易脏。
Bernhard Scheichl将这一研究成果发表在了2021年流体力学领域的顶刊《Journal of Fluid Mechanics》上，在研究中他们以不同的流速从茶壶中倒水，并用高速摄像机拍摄，准确捕捉到了在临界水流速率下的“茶壶效应”，从而证实了上述理论。
茶壶效应会影响神州13号乘组喝茶吗？
2021年10月16日0时23分，搭载神舟十三号载人飞船的长征二号F遥十三运载火箭，在酒泉卫星发射中心点火发射，顺利将翟志刚、王亚平、叶光富三名航天员送入太空。在太空中三位航天员喝茶的时候会有茶壶效应吗？
Bernhard Scheichl认为，与其它作用力相比，重力虽然不起决定性作用，可是会决定水流方向。但是，在完全没有重力的空间站里不会观察到这一现象。因此，各位小伙伴们完全不必为天宫空间站里三位宇航员的喝茶和桌布担心。
小结：茶壶效应是大家在日常生活中经常遇到的现象，从1956年开始Markus Reiner 教授就开始了实验研究，一直到2021年，Bernhard Scheichl博士终于利用流体力学和高速摄像机解释了现象背后的玄机：微小液滴背后复杂的受力情况决定了液体的流向，临界流动速率还有茶壶材质的亲疏水性，决定了茶壶效应发生的程度。现象虽简单，但背后蕴含的科学知识却非常复杂，正是科学家孜孜不倦的探索，才为我们揭示了许许多多的自然规律，这才是广大科研工作者应该借鉴和学习的地方。
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原文链接：
https://phys.org/news/2021-11-teapots.html
来源：高分子科学前沿
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