本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
我们都经历过。你端着咖啡走向工作地点、会议室或走廊,而这总是会发生。扑通一声,你就在走廊里留下了一串咖啡点,让每个人都知道你来过这里。我们给咖啡杯盖上盖子,但有时这些盖子也会失效(我敢发誓,星巴克每四个盖子就有一个是坏的),导致咖啡滴到你的手上。即使你小心翼翼地端着咖啡慢慢走,努力不洒出来,晃荡也是不可避免的,你能感觉到它在等待着,等待着洒出你宝贵的咖啡,那是你活过这个早晨的唯一希望。
但是,当我们走路时,是什么导致咖啡像那样洒出来呢?为什么它不能只是轻轻地前后摇晃?为了研究这个问题,我们需要一位英雄。一位流体动力学的英雄。
现在颁发流体动力学 Ig 诺贝尔奖。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道: 订阅。通过购买订阅,您将帮助确保未来能够继续讲述关于发现和塑造我们当今世界的想法的具有影响力的故事。
(来源)
Mayer 和 Krechetnikov。“端着咖啡走路:为什么会洒出来?”《物理评论》,2012 年。
当我在 Ig 诺贝尔奖颁奖典礼上遇到 Krechetnikov 并询问这项研究的由来时,他说他的想法来自一次会议。虽然许多想法都是在会议期间的深入讨论或科学家之间的随意聊天中产生的,但这个想法是在咖啡休息时间产生的。具体来说,Krechetnikov 和他的研究生当时正在观察咖啡休息时间的其他人的举动,并观察他们小心翼翼地走动,努力不洒出咖啡。他们开始想知道,确切地说,为什么咖啡在杯子里走路时会表现得那样。
对他们来说幸运的是,他们都是流体动力学研究人员。
因此,他们获得了高速视频、一些勇敢的志愿者和一杯咖啡(好吧,可能不止一杯咖啡在这篇论文的制作过程中被“牺牲”了)。这杯咖啡配备了防溢传感器和检测咖啡运动的传感器。参与者以不同的速度行走,或者专注于不洒咖啡,或者不专注于只是走路。
对视频的分析表明,杯子里的咖啡有三种相互竞争的运动。左右晃荡、前后晃荡以及行走的上下运动。这最终产生了咖啡的运动,最终会在杯子里旋转,并上下起伏,导致溢出。
在这里,你可以看到所涉及的振荡,红线表示溢出的点。
那么我们如何建立起这些振荡呢?这取决于我们达到这个速度的速度,而不是我们走路的速度有多快。换句话说,取决于加速度。如果你开始更快地移动,你就会很快洒出来,如果你缓慢加速,你洒出来的就会更少。此外,当你专注于不洒出来时,你会走得更慢。但是,一旦你停止加速并以恒定的速度行走时,你就会获得一个自然的激发频率,并且不太可能洒出来。
所以,首先你的加速度设定了“初始晃荡幅度”。这会被你走路的摇晃运动放大。左右移动、移动手臂等噪音会加剧晃荡,并在杯子里产生漩涡。当然,还有你的步速,还有咖啡液位。一杯不满的咖啡仍然会晃荡,但不会达到足够高的高度而溢出。
当谈到如何控制晃荡时,作者建议使用杯壁更有弹性的咖啡杯,使其能够吸收晃荡(但这可能会带来形状问题,使其难以携带),并假设咖啡杯内部的同心环可能有助于打破振荡。但是当我询问时,Krechetnikov 承认,最好的方法可能还是使用盖子,也许少装一点咖啡。
*Sci 想指出,她在写作本文的过程中不得不停下来,起身去泡了杯咖啡。因为否则就太不对劲了。