大家都知道,用茶壶倒水的时候,水有时会贴着壶嘴流下来,滴到桌子上,特别糟心。凭借生活经验,我们知道选一个壶嘴细长的壶,或者倒得快一点,就不容易把茶倒得到处都是了。但物理学家们怎么能放过这个话题呢?在谷歌学术搜索“teapot effect“,可以找到近三万篇论文,显然不是只有英国人在关心这个话题(雾)。
最早研究这个课题并发表了论文的人,应该是哈佛大学的Joseph Keller。
最初,物理学家们(凭直觉?)认为,茶水会顺着壶嘴流下来是因为表面张力,或者液体表面的附着力。但是在1957年,Joseph Keller 和同事Jean-Marc Vanden-Broeck 发表了一篇论文,将这个现象命名为“茶壶效应”(teapot effect),指出它和先前猜测的两个因素没什么关系,但和大气压强有关。1999年,他们因为这项研究获得了搞笑诺贝尔的物理学家。
在物理学上,茶壶效应可以解释为“流体倒出时附着在容器壁上的现象”。2009年,法国里昂大学的Cyril Duez 等人发表了一篇论文(Beating the Teapot Effect),讨论如何优雅地倒茶。他们总结出影响茶壶效应的几个因素:壶嘴的材料、壶嘴的形状、液体的流速、液体的润湿性(wettability)。
使用超疏水材料是一个万能的解决方案。只要你采用了超疏水材料,那么不管你怎么折腾,都能优雅地倒茶啦。壶嘴要薄、半径要小,如果茶壶比较薄,壶嘴比较小,壶嘴边沿的角度就更锐利,倒茶的时候也更加优雅。这点也和生活经验相符,比如粤式餐厅常见的白胖子茶壶,特别容易把茶洒得满桌子都是……
有些人倒茶的时候,一看茶水淌下来了,赶紧放慢速度小心翼翼地倒,结果茶水淌得更厉害。其实这时候你应该加快速度,茶水反而不淌了。论文中指出,存在一个阈值速度,一旦小于这个速度流体就会贴在容器壁上(此处超疏水材料仍然开挂)。阈值速度与流体的润湿性、液柱的曲率有关。
润湿性指的是一种液体在一种固体上铺展的能力(或者说倾向)。超疏水材料前面说过了,那么茶这方面能做点什么?论文里没有详细讨论这点,我自己设想了一下。同样大小的一滴液体滴到同样的材料上(比如陶瓷),茶水、果汁、黑咖啡会马上摊开,牛奶、奶茶的液滴会“厚”一些,蜂蜜、炼奶几乎可以形成一个半球。所以,根据生活经验猜测,在普通人会往茶壶里装的饮料当中,奶茶比较不容易淌下来。
最后,论文还提到的一个大招:有些材料可以用电来控制润湿性。比如最后这张图,他们给茶壶覆盖了厚厚一层C型聚对二甲苯(帕里纶),再涂上一层疏水的含氟聚合物(AF1600)。在液体和容器之间加上电压,电压为0的时候,液体可以优雅地倒出来;加上300V的电压后,液体就会贴着茶壶流下去了。