如果倒奶的速度太慢,为什么奶会从奶盒底部滴流下来?
当然,不只是奶会发生这样的情况。像把橘子汁和汤等很多液体从容器中倒出时,如果倾倒太慢,都会洒在地板上或把鞋子弄脏。避免这种情况不是那么容易。在往玻璃杯里倾倒时,如果当时容器很满,则除了微微洒出一些之外几乎没有什么其他选择。
所需的材料
一盒奶或其他什么饮料
一个玻璃杯
一块抹布(随后进行清洁)
如果想进一步展示这个效果,还将需要:
一个直立的圆柱体(洗干净的酒瓶即可)
一支点燃的蜡烛
如果实验者非常有信心,还将需要:
一个头发吹干器
一个乒乓球
要做的事情
打开奶盒,往一些杯子里倒奶;改变倒奶的速度,这样便可以在盒底见到从奶的滴落到一股奶的细流。
会看到的现象
倒奶的速度较低时,奶会顺着盒子边缘滴淌而下,然后才落地。这个落地点应该是那块抹布及时跟进的地方。倒奶的速度较快时,奶会流得很自如,你会带着信心把玻璃杯倒满。
究竟发生了什么
当盛满液体的盒子倾斜时,其中的液面会抬高,向盒子的开口处运动。随着盒子更加倾斜,液体涌向开口,在开口处形成压力。除了这个压力之外,还有表面张力作用在液体之上,表面张力倾向于把液体拉向盒子表面。在较高的倾倒速度下,该压力要比表面张力大得多,液体将以一种顺畅的方式离开盒子,沿一条预先期望的抛物线流向玻璃杯。
然而,在低的倾倒速度之下,会达到一个状态点。此时表面张力足以使液体流动的路径改变方向,这样一来,液体流不会干净利索地离开盒子口,而是附着到盒子的上部表面。一旦实现附着,倒出的液流在表面张力的作用下会倾向于继续黏着在该表面,形成被称为“康达效应(Coanda effect)”的现象。当液体流过凸起的表面时,这种效应就会发生,这时在液流和凸表面之间会产生内向的压力,有效地把液体流吸向表面,就像水龙头流出的一股小水流会沿着一把勺子的弯曲背面流动一样。
表面张力和康达效应联合作用的结果,使一些奶液奇怪地跨过奶盒顶面乱淌,流到奶盒的侧面,并最终快速地流到地板或你的鞋子上。
康达效应俗称附壁效应,是以亨利?康达(Henri Coanda, 1886—1972)的名字命名的。亨利?康达发明了用两个燃烧室推动的喷气飞机。当时他把两个燃烧室置于飞机的前部附近,在机身的两侧各置一个向后喷射气流。让亨利意想不到的是,在引擎点火后,喷出的火焰紧贴着机身的两侧直喷到机尾,而不是沿直线喷向引擎出口的后方。康达对这一问题进行了深入地研究,并由于这个效应的发现而闻名于世。
我们还应该考虑另外一种作用,该作用也会造成从容器向外倾倒液体时产生有偏差的液体射流。这种作用就是“咕咚效应(glugging)”,它发生在空气被吸入容器较狭小的开口去取代容器里失去的液体的时候。这种作用使液体倒出的射流发生震动,即使在相对较高的倾倒速度的情况下,也会导致周期性的附壁效应。
附注:
因为液体具有围绕某个表面流动这种一般趋势,所以康达效应在许多场合都可以见到。这可用一个演示方法进行尝试。在桌子上放一个直立的圆柱体(洗干净的酒瓶即可),把一支点燃的蜡烛放在它的后侧。当你对着酒瓶吹气时,尽管酒瓶明显地挡住了吹出的气,但蜡烛还是灭了。这是因为气流沿着瓶子绕过并在另一侧重新汇聚一处,而不是被偏转散开。
现在拿一个头发风干机,调到冷风挡并让气流垂直向上。如果风干机的口大约与乒乓球相仿,效果会最好。此时,可以把乒乓球放在气流之中,球会在那里十分欢快地上下跳动而不会掉下来(找到合适的点会有些难度,所以可能要试验几次才能成功)。这又是一个气流黏附某个表面的例子。这里气流黏附的是乒乓球的表面,球也是因康达效应而被保持在某个位置。由于这种作用相当强大,如果想让球离开风干机,你将需要把风干机倾斜,稍微偏离垂直方向,才能让球的重力作用胜出。
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在www.allstar.fiu.edu/aero/coanda.htm网页上,可以找到造于1910年的第一架真正的喷气机“康达号1910”的照片,以及设计者的有关信息。