本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點
我們都經歷過。你端著咖啡走向工作地點、會議室或走廊,而這總是會發生。撲通一聲,你就在走廊裡留下了一串咖啡點,讓每個人都知道你來過這裡。我們給咖啡杯蓋上蓋子,但有時這些蓋子也會失效(我敢發誓,星巴克每四個蓋子就有一個是壞的),導致咖啡滴到你的手上。即使你小心翼翼地端著咖啡慢慢走,努力不灑出來,晃盪也是不可避免的,你能感覺到它在等待著,等待著灑出你寶貴的咖啡,那是你活過這個早晨的唯一希望。
但是,當我們走路時,是什麼導致咖啡像那樣灑出來呢?為什麼它不能只是輕輕地前後搖晃?為了研究這個問題,我們需要一位英雄。一位流體動力學的英雄。
現在頒發流體動力學 Ig 諾貝爾獎。
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(來源)
Mayer 和 Krechetnikov。“端著咖啡走路:為什麼會灑出來?”《物理評論》,2012 年。
當我在 Ig 諾貝爾獎頒獎典禮上遇到 Krechetnikov 並詢問這項研究的由來時,他說他的想法來自一次會議。雖然許多想法都是在會議期間的深入討論或科學家之間的隨意聊天中產生的,但這個想法是在咖啡休息時間產生的。具體來說,Krechetnikov 和他的研究生當時正在觀察咖啡休息時間的其他人的舉動,並觀察他們小心翼翼地走動,努力不灑出咖啡。他們開始想知道,確切地說,為什麼咖啡在杯子裡走路時會表現得那樣。
對他們來說幸運的是,他們都是流體動力學研究人員。
因此,他們獲得了高速影片、一些勇敢的志願者和一杯咖啡(好吧,可能不止一杯咖啡在這篇論文的製作過程中被“犧牲”了)。這杯咖啡配備了防溢感測器和檢測咖啡運動的感測器。參與者以不同的速度行走,或者專注於不灑咖啡,或者不專注於只是走路。
對影片的分析表明,杯子裡的咖啡有三種相互競爭的運動。左右晃盪、前後晃盪以及行走的上下運動。這最終產生了咖啡的運動,最終會在杯子裡旋轉,並上下起伏,導致溢位。
在這裡,你可以看到所涉及的振盪,紅線表示溢位的點。
那麼我們如何建立起這些振盪呢?這取決於我們達到這個速度的速度,而不是我們走路的速度有多快。換句話說,取決於加速度。如果你開始更快地移動,你就會很快灑出來,如果你緩慢加速,你灑出來的就會更少。此外,當你專注於不灑出來時,你會走得更慢。但是,一旦你停止加速並以恆定的速度行走時,你就會獲得一個自然的激發頻率,並且不太可能灑出來。
所以,首先你的加速度設定了“初始晃盪幅度”。這會被你走路的搖晃運動放大。左右移動、移動手臂等噪音會加劇晃盪,並在杯子裡產生漩渦。當然,還有你的步速,還有咖啡液位。一杯不滿的咖啡仍然會晃盪,但不會達到足夠高的高度而溢位。
當談到如何控制晃盪時,作者建議使用杯壁更有彈性的咖啡杯,使其能夠吸收晃盪(但這可能會帶來形狀問題,使其難以攜帶),並假設咖啡杯內部的同心環可能有助於打破振盪。但是當我詢問時,Krechetnikov 承認,最好的方法可能還是使用蓋子,也許少裝一點咖啡。
*Sci 想指出,她在寫作本文的過程中不得不停下來,起身去泡了杯咖啡。因為否則就太不對勁了。