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咖啡为何会洒出杯子

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:15

    咖啡为何会洒出杯子

    路斯兰·克雷奇特尼科夫(Rouslan Krechetnikov)是美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的流体力学家,在最近的一个数学会议上,他看着同事小心翼翼地端咖啡时不禁想到,为什么有时候咖啡会溢出来,有时又不会呢?于是一个新的研究项目诞生了。

    尽管看起来只是个小问题,其中却涉及很多基础科学原理,包括流体力学、液体表面稳定性、液体与容器相互作用,还有行走过程涉及的复杂生物学。

    他和一名研究生观察人们端着咖啡杯行走的高速录像,分析步行速度等因素对于杯内咖啡的影响。通过逐帧分析,他们发现在人们步速稳定后,行走本身会导致咖啡杯大幅度有规律的振动,而每踏一步所产生的那种起伏,以及其他环境因素(如地面不平或分神等)还会导致杯子小幅度不规律的振动。

    咖啡溢不溢出,很大程度上取决于饮料的自然振动频率,即它最易产生的振动频率,好比每个钟摆的振动频率都取决于它的长度和重力一样。当咖啡杯的大幅规律运动与咖啡的自然振动频率接近时,就会产生共振,就像在恰当的位置推秋千,会使秋千越摆越高,这时咖啡溢出的概率就大大增加。另外,小幅度不规律的振动也有可能“放大”咖啡的运动幅度。

    揭示咖啡流动和人体运动的关系,有助于我们找到防止液体溢出的方法,“比如设计一种柔韧的容器来缓冲振动”,克雷奇特尼科夫说。而在容器内壁的底部和顶部安装一系列圆环也有助于消除液体振动。

    本文来自《环球科学》2012年第1期,转载请注明出处。

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