事实如此浪漫

茶叶逆流而上的奇特物理现象

照片由博(“叫我丹尼尔”)GAO / Flickr

据说,科学发现的真正的刺客不是“尤伊卡!”但是“嗯......这很有趣......”肯定被证明是塞巴斯蒂安·比安奇的情况:一杯简单的茶叶带领他一些有趣的,反向直观的见解进入水的表面张力。

回来时,当他在哈瓦那大学的大学生理专业在2008年,Bianchi注意到一些不寻常的东西,同时酿造了一杯新鲜的伴侣 - 一个受欢迎的(和有效的)南美茶。准备伴侣涉及将热水倒入伴侣夹住杯中并让它们陡峭。一般来说,事情倾向于在下游流动,但他发现了几个伴侣叶子莫先生叶子在水壶中徘徊。不知何故,他们已经上游了。

比安奇找到了哈瓦那的物理学家埃内斯托·阿尔舒勒(Ernesto Altshuler)作为他的导师,他帮助比安奇进行了一些实验,尽管他们从未发表过他们的结论。但Altshuler继续对可能发生的问题感兴趣,并于去年与罗格斯大学(Rutgers University)物理学家特洛伊·辛布洛特(Troy Shinbrot)合作复制那些早期的实验

设置涉及两个水箱,并排设置,一个比另一个高。坦克通过通道连接,水可以通过该通道从鞋面到下罐流过。然后它们洒在底部罐中的水中的伴侣茶叶和粉笔颗粒。果然,叶子和颗粒很快就发现了进入上坦克中的水:

茶叶并没有真正违背重力;他们只是反应复杂的流体动力学。在一篇论文发布了在里面英国皇家学会学报首先,物理学家得出结论,这种行为是由多种因素组合而成的:即,水的表面张力和涡流的差异。

主要罪魁祸首是Marangoni效果1855年由詹姆斯·汤姆森发现,他是一位有着相当家族血统的物理学家——他的兄弟就是开尔文勋爵。这是另一个“有趣”的时刻:汤姆森注意到,晚餐时他的酒杯边会形成水滴和小溪,他想知道为什么会出现这种情况——尤其是对于酒精含量高的葡萄酒。葡萄酒主要是酒精和水,酒精的表面张力比水低。所以水会从酒精浓度较高的口袋流出,因为表面张力的细微差异。

然后存在毛细管作用,其中表面张力将液体上升到狭窄的通道(或容器的壁,如酒杯),直到其质量变得足够重,使得它倒回。植物依赖毛细管作用,从茎到叶子的水和营养物。它也可以在所谓的“芯效应”中看到:在煤油灯灯中,煤油行程向上移动芯,以确保缓慢,稳定的燃烧。

在葡萄酒(或其他成年饮料的情况下,如下所述,如下所述),液体槽靠在玻璃侧面并感谢毛细管动作,形成薄膜。醇和水在过程中蒸发 - 除了醇具有较高的蒸气压,除了它们以不同的速率蒸发。这降低了该区域中的醇浓度,增加了表面张力,因此甚至更多的葡萄酒被向上绘制,形成滴剂,最终变得足够重,以塌陷并沿着小溪中的玻璃卷起来,有时称为泪水,腿部,窗帘或教堂窗户。

与茶叶和粉笔粒子发生类似的东西,通过“骑行”紫罗兰效应(Marangoni效应在技术上是一种对流)的涡流电流帮助。当我们将牛奶搅拌入我们的咖啡时,我们都看到了漩涡,或者在浴缸中观看水,在漩涡浴缸中吹浴缸。

无论如何,这些都不是新现象,但令人惊讶的是,它们可以结合在一起,产生足够的力量推动茶叶逆流而上。物理学家的结论也可以解释为什么污染颗粒有时会潜入存放实验室样本的移液管,或者为什么污染物偶尔会在缓慢流动的河流中向上游移动。

Bianchi的“这很有趣”时刻不是第一次物理实验,也是一杯茶的启发。几年前,Daniel Ives,然后是科罗拉多州机械工程研究生,提出了一个流动可视化实验探索芙蓉茶如何留下热水。他将一杯透明的杯热水放在白皮书背景上,撒上几个芙蓉叶片到表面上,拍摄了扩散过程的各个阶段。

艾夫斯发现芙蓉花吸收水分后会膨胀,而吸收的水分会把花中的水溶性颗粒拉出来,让它们渗入水中,逐渐向外扩散,向下扩散,直到茶浸泡的水达到平衡.茶叶比水更密集,表现出向上的浮力等同于它们取代的水质量,每个拱形原则 - 原始的原则 - 原始的,并且可能是翼冰,“尤里卡!”片刻。但重力也在茶叶中拉下每个颗粒。这是一种很小的效果,但足以使水已经饱和与浸出的颗粒饱和以慢慢吸收玻璃。

也许有一天,艾夫斯和他的物理学家伙伴们会找到时间来验证乔治·奥威尔1946年的论断:为了沏出一杯完美的茶,水必须是沸腾的,在其他严格条件下.与此同时,很高兴知道我们可以从一杯简单的茶中学习有趣的自然。


Jennifer Ouellette是一位科学作家,著有微积分日记即将到来我,我自己以及为什么:寻找自我的科学.跟着她在推特上@jenlucpiquant.

铅照片是由博(“叫我丹尼尔”)通过Flickr Gao

这篇经典的事实如此浪漫的文章最初发表于2013年7月。


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