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咖啡生活 | 拿杯咖啡走路,為什么咖啡會(huì)濺出來(lái)?

2022-08-15 12:24:43責(zé)任編輯:吳京瀏覽數(shù):710

拿杯咖啡走路,為什么咖啡會(huì)濺出來(lái)?數(shù)學(xué)家說(shuō)這是波動(dòng)方程式于幾合規(guī)范下局部不穩(wěn)定的模式。化學(xué)家表示這是黃嘌呤生物堿化合物溶

拿杯咖啡走路,為什么咖啡會(huì)濺出來(lái)?數(shù)學(xué)家說(shuō)這是波動(dòng)方程式于幾合規(guī)范下局部不穩(wěn)定的模式?;瘜W(xué)家表示這是黃嘌呤生物堿化合物溶液彼此擠壓下的反應(yīng)。工程師認(rèn)為這是接收液面晃動(dòng)feedback之control loop有bug。企業(yè)代表則宣示會(huì)盡快將6號(hào)塑膠杯蓋換成5號(hào)杯蓋。負(fù)責(zé)會(huì)議記錄的文青寫下“在晨光中蕩漾著一杯咖啡的小確幸….”抗議民眾在場(chǎng)外舉起標(biāo)語(yǔ)“這是咖啡的自由!要擺脫馬克杯的框架!”最終,國(guó)家元首做了結(jié)論:“一杯咖啡濺出來(lái)不夠喝,那要買兩杯啊!”以上當(dāng)然是玩笑話,但拿杯咖啡走路,為什么咖啡容易濺出來(lái)呢?這雖然是一個(gè)普通的現(xiàn)象,卻不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。因?yàn)檫@個(gè)力學(xué)系統(tǒng)所牽涉到的兩個(gè)單位是生物(持咖啡者)及流體(咖啡),生物的運(yùn)動(dòng)模式?jīng)]有機(jī)械般的準(zhǔn)確和穩(wěn)定,而流體力學(xué)也是出了名的難搞,兩者合一,創(chuàng)造出更多不確定的變因。【Credit:Simon James】然而,也許是被濺出的咖啡惹毛了,加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校機(jī)械系的Mayer及Krechetnikov決定尋找問(wèn)題的答案。他們拍攝了多位實(shí)驗(yàn)參與者拿著裝有咖啡的杯子走路的畫面,依靠影像分析軟件和咖啡杯上的感測(cè)器,得到了參與者和咖啡杯上下、左右、前后及斜傾的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并套用非線性單擺的力學(xué)模式來(lái)類比咖啡液面,經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)及電腦模擬,總算摸清了這個(gè)系統(tǒng)的樣貌。經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察到,人們拿起咖啡杯開(kāi)始走路后,在跨出的第七步到第十步之間,是咖啡最容易濺出的時(shí)刻。這個(gè)問(wèn)題當(dāng)然跟咖啡杯的幾何大小有關(guān),而液體的材質(zhì)及形狀會(huì)影響其振蕩的自然頻率。用一般常見(jiàn)的馬克杯所盛裝的咖啡,其自然頻率約為2.6至4.3赫茲;而人們走路的頻率則約1至2.5赫茲,屬同一個(gè)數(shù)量級(jí),因此杯中咖啡的振蕩易受持杯者步伐的影響。另外,咖啡杯平滑的內(nèi)緣,讓咖啡的振蕩幾乎沒(méi)有阻礙。進(jìn)一步分析,人們從靜止?fàn)顟B(tài)起步時(shí),通常于第一步到第四步之間是一小段加速運(yùn)動(dòng),杯中咖啡就如公車上的乘客一般,會(huì)受起步加速度影響而讓液面傾斜,提供后續(xù)晃動(dòng)的初始勢(shì)能。第四步之后,人們多半就大致勻速前進(jìn)了,但每一步之間還是會(huì)有微小的速度差,這讓杯中咖啡處于一個(gè)前后搖擺的加速度力場(chǎng)之下,更助長(zhǎng)了咖啡要越出杯子的氣焰。降低初始勢(shì)能和減少后續(xù)搖擺是防止咖啡溢出的不二法門,然而這個(gè)實(shí)驗(yàn)揭露一個(gè)吊詭的現(xiàn)象:走路快的人,通常起步加速猛烈,造成液面初始勢(shì)能大;而走路慢的人,步伐反而沒(méi)有走路快的人來(lái)得穩(wěn)定,不斷地強(qiáng)化液面的晃動(dòng)。所以說(shuō),不論你走得快或走得慢,都有很好的理由把咖啡濺出來(lái)。當(dāng)然,只要人們能專注于咖啡液面晃動(dòng)的情況,就可以自然而然的讓自已有緩和的加速和穩(wěn)健的步伐。此外,研究人員也建議使用彈性材質(zhì)、或內(nèi)圍有環(huán)狀構(gòu)造的杯子,以吸收其內(nèi)液體晃動(dòng)的力道或增加阻力,都能有效避免咖啡濺出。除了防止咖啡濺出外,這個(gè)研究還有工程應(yīng)用的價(jià)值。在建筑管線或大型器具時(shí),如污水管、液壓管等,此研究建立出的數(shù)學(xué)模型可模擬管柱中液體受到振動(dòng)影響所產(chǎn)生的沖激運(yùn)動(dòng)(sloshing dynamics),有利于防濺設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)。但撇開(kāi)工程應(yīng)用之價(jià)值不談,用如此“高大上”的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)去看這個(gè)濺出咖啡這種芝麻綠豆般的事,大有殺雞用牛刀之感,讓這兩位科學(xué)家戴上了2012年搞笑諾貝爾“流體力學(xué)獎(jiǎng)”的桂冠。再說(shuō),在咖啡杯上加個(gè)杯蓋不就好了嗎?
版權(quán)信息:以上文章轉(zhuǎn)自互聯(lián)網(wǎng),轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處文章轉(zhuǎn)自: 科學(xué)松鼠會(huì) http://songshuhui.net/原文作者: 吳京 (本文已發(fā)表于作者部博客吳京的量子咖啡館)侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系: weixin@coffeesalon.com投稿合作: tips@coffeesalon.com

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