如果你喜欢在网上冲浪,过去的2019年,你一定听过这样的喝酒口号,喝啤酒时首先要歪门斜倒、然后杯壁下流、再改斜归正、最后恶贯满盈。
本人之前没有看到过这段视频,“杯壁下流”给我的第一反应是酒水在倾倒时沿着酒瓶壁流下的情景(视频里是啤酒沿着酒杯下流而不易起泡),今天我们就来讨论下为什么会这样“杯壁下流”?
这种酒水不听话的现象,我相信所有人都经历过成千上万次,当我们想把任何液体从一个容器倒到另一个容器时,它可能会沿着瓶壁倒到桌布上。
我们可能对这种现象习以为常,但是当我们深入思考时,这个问题比我们想象的要复杂的多。
好吧,继续往下看吧,这是一个有趣的流体动力学问题,甚至和飞机飞行有着异曲同工之妙。
粘附力和内聚力!
一般来说,普通液体都有粘附在其他表面的倾向(粘附力),也有聚集在一起的倾向(内聚力),这是影响地球上每一个水分子的两个特征,水分子与水分子之间或水分子与其他物质之间的“粘性”是由这这两个特征决定的。
内聚力存在于相同物质的分子之间,正是这种力使得液体分子粘在一起。换句话说,这些力使液体抵抗分离,水滴的形成就是由于内聚力的作用。
另一方面,粘附力是液体(例如水)对其他物质的吸附力(如金属容器、树叶,甚至你的皮肤)。或者说,粘附力是存在于不同分子之间的吸引力。由于粘附力,液体总是想要粘上坚硬的表面上,这也是在试管中液体总是形成凹面的原因。
当用瓶子往容器中倒酒或水时(尤其是慢慢倒的时候),瓶壁和水分子之间的粘附力比水分子之间的内聚力更强,重力必须克服这个粘附力才能使水垂直倾倒出来。
当垂直方向与瓶壁的夹角较小时,粘附力较强,而垂直于瓶壁的重力分量较小,所以水更容易附着在容器的外表面(顺着容器的一侧流下来)。
图为:液体在试管中形成凹面
这只是分子层面微观的力在作用,其实重力不仅仅要克服粘附力,还要克服一个宏观的力,这个力让飞机能够起飞,和怪罗科普之前科普过的“浴帘效应”有相似之处!
科安达效应!
1910年时,罗马尼亚工程师和数学家亨利·科安达(Henri Coanda)在测试他建造的科安达-1910飞机时发现了一个有趣现象。
当时,这架飞机在热身时就起火了(没有离开地面),科安达观察到燃烧的气体从引擎中喷出后会附着在机身上而不是水平喷出,随后的实验和研究最终使他证实了我们现在所知道的“科安达效应”(或叫附壁效应)。
科安达自己将这种效应描述为“从孔口喷射出的流体倾向于附着在邻近的平面或曲面,因为射流会将空气从周围环境中吸入,从而形成一个低压区域。”
简单地说,科安达效应是一种流体(如空气或任何其他液体)沿平面和曲面附着和流动的趋势。
图为:柯恩达效应的机制(图源:维基百科)
当一股射流从孔口喷出扫过周围的空气时,射流的速度比周围空气的速度要快,根据伯努利原理,速度越快,流体的压力越低,反之亦然。
因此,低压射流被相对高压的环境空气所包围,为了保持平衡,周围的空气会从两边流入低压区域。
当一个固体表面在射流的一侧出现时,高压环境空气将只会在另外一侧出现,从而使射流失去平衡,结果便是来自另一侧的空气迫使射流附着在固体表面上。
当酒水从杯子中倒出时,周围环境压力迫使液体粘附在杯子的表面,即使杯子的表面在杯口处弯曲,液体也会保持附着。
对于飞机来说,周围的空气附着在机翼上,产生飞行所需的升力;而对于杯子来说,杯子里的液体会附着在弯曲的杯壁上,并沿着杯壁滑落下来,给我们留下一堆需要清理的东西。
角度和速度!
简单地说,水分子喜欢粘在一起,往往会使水分子可以平稳的流动离开容器,不幸的是,水分子也喜欢粘在其他物质上,更不幸的是流动时会造成气压差。
为了能让水滴落,重力必须克服水分子和杯壁的粘附力,以及由于科安达效应水产生的升力。
哪一种力占主导地位取决于许多因素,包括材料性能和形成化学键的时间,水被倾倒出的速度,周围空气情况,倾倒角度等等。
倾倒的角度主要影响的是重力的分量,从而影响流体的倾倒速度,而倾倒的速度是一个关键因素。
如果我们快速地倒水,水分子将没有足够的时间与容器表面结合,更不会在一侧出现固体表面,因此水也不容易倒到桌布上。
然而,当你慢慢倒的时候,水会在容器表面停留更长时间,这样水分子与杯壁的粘附力比与水分子的内聚力更大,压力差也将出现在一侧,水将沿着容器的一侧流下。
此外,如果水是从一个尖锐的表面倒出来的,它将更容易滴落,而光滑的表面通常更容易“杯壁下流”。
大多时候粘附力和升力的合力太大,重力无法克服,所以液体会顺着杯壁滑落下来,出现在它不该出现的地方是常态。
最后
在生活中,流体的这些性能出现在了各种场合,有时候会被夸大其词(如某空调的科安达效应),有时候会被忽视(如杯壁下流)。
当我们用科学去剖析它时,我们可能才会为此震惊,导致我们饮料溢出的日常现象竟然和飞机的飞行原理有关。