在最近的一次數學會議上,魯斯蘭·克雷切特尼科夫注意到他的同事們小心翼翼地端著咖啡杯。他想知道,為什麼咖啡有時會灑出來,有時又不會?一個研究專案由此誕生。
雖然咖啡溢位的問題可能看起來微不足道,但它實際上彙集了各種基礎科學問題。加州大學聖巴巴拉分校的流體動力學家克雷切特尼科夫解釋說,這些問題包括流體 mechanics、流體表面的穩定性、流體與結構之間的相互作用,以及複雜的步行生物學。
在實驗中,他和一名研究生監控了人們攜帶裝滿咖啡的杯子的複雜運動的高速影片,研究了步行速度和個體之間差異的影響。研究人員使用逐幀分析發現,在人們達到期望的步行速度後,杯子的運動由步行引起的大而規則的振盪,以及由步幅到步幅的波動以及環境因素(如不平坦的地板和干擾)引起的小而無規則且更頻繁的運動組成。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保未來能夠繼續報道關於發現和塑造我們當今世界的想法的具有影響力的故事。
咖啡溢位在很大程度上取決於飲料的自然振盪頻率——也就是說,它偏好的振盪速率,就像每個鐘擺都以給定的長度和所受重力精確頻率擺動一樣。當一杯咖啡經歷的大而規則的運動頻率與這種自然振盪頻率相當時,就會產生共振狀態:振盪相互加強,就像在操場上的鞦韆上在正確的點上推動使其越蕩越高一樣,咖啡從邊緣晃出的機會也隨之增加。杯子看到的小而無規則的運動也會放大液體運動,從而導致溢位。這些發現將在巴爾的摩舉行的美國物理學會 11 月會議上詳細介紹。
克雷切特尼科夫說,一旦理解了咖啡運動與人類行為之間的關鍵關係,就有可能開發出控制溢位的策略,“例如使用柔性容器充當防晃動吸收器”。一系列沿容器內壁上下排列的環也可能阻止液體振盪。