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题:《掀翻茶杯,糊涂成一团》
说起茶杯,我们都会认为它是一个温暖、轻盈的物体。但是我们是否知道在某些情况下,掀翻茶杯并不是一个简单的事情,它会让你头疼不已,让你糊涂成一团,这就是茶杯的一种神秘力量。
首先,当你掀翻茶杯时,茶水会哗啦啦地溅出来。那么,问题来了,茶水掀翻时为什么会有这样的表现呢?曾经有人做过实验,将茶水倒入一个大桶里,再将桶快速旋转,发现茶水并没有像掀翻茶杯一样溅出来,而是像金属球一样紧贴着桶壁旋转。
这是因为水面张力使软物体尽量耗费大量的表面积,茶水与杯子的接触,让张力和重力组成一个角度小于90度的合力,从而造成水滴溅出的情况。而在大桶里,水面张力和重力构成的角度大于90度,只有向下的重力在起作用,所以水没有倾斜,也不会溅出来。
其次,掀翻茶杯时,大家可以试试找到渐变滑动边界(例如积水的边界),茶水并不是从最下面开始流出,而是从边缘流出的。这是因为茶杯与桌面的接触面积并不完全相等,杯底周围形成了一个微小的角度。研究表明,液体在很小的角度下会沿着切线流动,所以茶水会从杯底周围的角度处开始流出。
第三,掀翻茶杯似乎也能说明液体在流动过程中有一个神奇的“断点”。你肯定见过泊流水,当水流动时,从一个点流出的水量越来越大,但是当流量达到一定的程度时,水流会突然分散开来,像一朵向外扩散的花。这个点其实就是液体进入失稳状态的位置,通常称为“断点”。掀翻茶杯时,你可能也会发现三角区域周围的水流比较激烈,这是因为在这个位置液体的速度已经接近爆发点了。
最后,我们来看看一个有趣的实验。假设我们在一个空的杯子里倒上一点水,接着绕着杯子快速转上几圈,然后迅速将杯子翻过来,你相信吗,内壁上的水在翻转之后竟然变成了一条环形涡流。这是由于旋转时液体的冲击力和向心力,使得液体形成了一个涡状,杯子翻转时则是向心力突然消失,而水体在自由状态下会保持惯性继续旋转,形成了环状涡流。
掀翻茶杯,不仅仅意味着茶水溅出,更意味着液体在流动过程中的种种奥妙。它让我们明白了液体在掀翻瞬间所发生的一切,在一杯茶水中感受到了流体力学的奇妙之处。