为什么茶壶总是滴水

这种现象已经被科学研究了几十年——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实验，成功地完整、详细地描述了“茶壶效应”：不同力的相互作用保持了微量的液体直接在边缘，这足以在某些条件下改变液体流动方向。

“茶壶效应”首先由 Markus Reiner 于 1956 年描述。Reiner 于 1913 年在 TU Wien 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准确解释这种效应。关于这一主题的工作于 1999 年获得了具有讽刺意味的“IG 诺贝尔奖”。 现在，对茶壶效应的研究已经全面展开，因为它是由伯恩哈德·谢伊尔 (Bernhard Scheichl) 博士周围的一个团队在 Reiner 的母校 TU Wien 进行的研究，与伦敦大学学院数学系合作的奥地利摩擦学卓越中心 (AC2T research GmbH) 的流体力学和传热研究所讲师和关键科学家。

“虽然这是一个非常常见且看似简单的效应，但要在流体力学的框架内准确解释它是非常困难的，”Bernhard Scheichl 说。茶壶喙底部的锋利边缘起着最重要的作用：形成水滴，边缘正下方的区域始终保持湿润。这个液滴的大小取决于液体流出茶壶的速度。如果速度低于临界阈值，这种下降可以引导整个水流绕过边缘并滴落到茶壶的外壁上。

“我们现在第一次成功地提供了一个完整的理论解释，解释了为什么会形成这种液滴以及为什么边缘的下侧总是保持湿润，”Bernhard Scheichl 说。它背后的数学很复杂——它是惯性、粘性和毛细管力的相互作用。惯性力确保流体趋向于保持其原始方向，而毛细力使流体在喙部处减速。这些力的相互作用是茶壶效应的基础。然而，毛细力确保效果仅在壁和液体表面之间的非常特定的接触角处开始。该角度越小或茶壶的材料越亲水(即可湿性)，则液体从茶壶的分离被减慢得越多。

太空中的茶

有趣的是，重力相对于发生的其他力的强度并不起决定性作用。重力仅决定了射流的方向，但其强度对于茶壶效应并不起决定性作用。因此，在月球基地喝茶时也会观察到茶壶效应，但在完全没有重力的空间站上则观察不到。

研究团队于 2021 年 9 月在“流体力学杂志”上发表了关于茶壶效应的理论计算。现在还进行了实验：从倾斜的茶壶中以不同的流速倒水，并用高速摄像机拍摄。通过这种方式，可以准确地展示边缘的润湿低于临界倾倒速率是如何导致“茶壶效应”的，从而证实了该理论。

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