我据说科学发现的真正的刺客不是“尤伊卡!”但是“嗯......那很有趣......”肯定被证明是塞巴斯蒂安·比安奇的案例:一杯茶叶带领他一些有趣的、反直觉的见解变成了水的表面张力。
2008年,当比安奇还是古巴哈瓦那大学物理专业的本科生时,他在泡马泰茶时注意到一些不同寻常的事情。马泰茶是一种很受欢迎的(且浓烈的)南美茶。准备伴侣包括将热水倒在盛在杯子里的伴侣叶上,让它们浸泡。一般来说,东西都是顺流而下的,但他却发现了一些莫名其妙地又回到了水壶里。不知何故,他们逆流而上。
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.
设立涉及两个水箱,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底部到下罐流动。然后它们洒在底部罐中的水中茶叶和粉笔颗粒。当然,叶子和颗粒很快就发现了进入上坦克中的水的方式:
茶叶并没有真正蔑视重力;他们只是响应复杂的流体动态。在发表的一篇论文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。
罪魁祸首是马朗戈尼效应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。
然后是毛细管作用,表面张力将液体拉向狭窄的通道(或容器壁,如酒杯),直到其质量变得足够重,从而下降。植物依靠毛细作用将水分和营养物质从茎输送到叶。这也可以从所谓的“灯芯效应”中看到:在煤油灯中,煤油沿着灯芯向上流动,以确保缓慢、稳定地燃烧。
以葡萄酒为例(或其他酒精含量高的成人饮料,如波旁威士忌,如下图所示),由于毛细管作用,液体在杯壁上晃动,并开始上升,形成一层膜。酒精和水在这个过程中都蒸发了——除了它们的蒸发速度不同,因为酒精的蒸汽压更高。这降低了该区域的酒精浓度,增加了表面张力,因此更多的葡萄酒被向上拉,形成水滴,最终变得足够重,并沿着玻璃流回小溪,有时也被称为眼泪、腿、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”的涡流速度不可避免地形成(Marangoni效应在技术上是一种对流)。当我们将牛奶搅拌入我们的咖啡时,我们都看到漩涡,或者在浴缸中观看水,在漩涡浴缸中观看水。
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“这是有趣的”时刻不是第一次物理实验,也是一杯茶的启发。几年前,Daniel Ives,然后是科罗拉多机械工程研究生,提出了一个流动可视化实验探索木槿茶叶如何浸泡热水。他将一杯热水放在白纸背景上,在表面撒上几片木槿叶子,拍摄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,直到茶泡的水达到平衡.茶叶比水更密集,展示了对它们取代的水的质量相当的向上浮力力 - 原理 - 原始的原则 - 以及可能的apocryphal,“Eureka!”片刻。但重力也在向下拉茶叶中的每个颗粒。这是一种很小的效果,但只需使水已经饱和就浸出的颗粒饱和即可在玻璃中慢慢吸收。
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到一些关于自然的有趣的东西。
Jennifer Ouellette是一位科学作家,著有微积分的日记和即将到来的我,我和为什么:寻找自我的科学.跟着她在推特上@Jenlucpiquant..
封面照片是由Bo(“叫我Daniel”)Gao通过Flickr.
这篇经典的事实如此浪漫的文章最初发表于2013年7月。








