流體力學告訴你,如何在食堂免費湯中舀到更多菜?

午飯時間到,心中默念盛湯秘訣:一勺沉到底,溜邊慢慢起,心里不要慌,一慌全是湯。額……到底怎么才能盛到湯中更多的菜呢?看來這個問題得認真研究一下。

研究后,我大吃一驚。原來在100 年前,愛因斯坦曾經也因為盛不到免費湯里的菜而耿耿于懷。額……開個玩笑,不過其實差不多,困擾愛因斯坦的,是一個類似的問題。

他在喝茶時,發現茶杯里的水旋轉起來之后,沉在杯底的茶葉,會聚集在杯子中心。而不是像預想的那樣,在離心力的作用下被甩到周圍。這個反直覺的現象,叫“茶葉悖論”。

流體力學告訴你,如何在食堂免費湯中舀到更多菜?的圖1

1926年,愛因斯坦在發表的一篇論文中提到并解釋了茶葉悖論,攪拌杯子里的水,旋轉起來之后,拿出攪拌棒,液體維持旋轉時,內部一定有一個向心力。

流體力學告訴你,如何在食堂免費湯中舀到更多菜?的圖2

那這個力哪來的呢?細看水的液面,能明顯看出周圍高中間低,周圍的水更深。而水壓又和水的深度有關,內部就存在一個從周圍到中心的壓力梯度,就是向心力的來源。

流體力學告訴你,如何在食堂免費湯中舀到更多菜?的圖3

用AICFD軟件做個兩相流仿真,可以明顯看到這個壓力梯度。

流體力學告訴你,如何在食堂免費湯中舀到更多菜?的圖4

說了這些,好像還沒能解釋茶葉悖論,茶葉為什么會跑到中間呢?

我們看杯子底部區域,由于水與杯底的摩擦及水的黏性,杯底會阻礙水的流動,此處旋轉速度減小,需要的向心力也小,就造成水的壓力梯度所提供的力大于所需的向心力。于是,杯底部的水就產生了向內的流動,在中間匯聚之后,再向上流,學名“二次流”。

流體力學告訴你,如何在食堂免費湯中舀到更多菜?的圖5

這個二次流我們用肉眼看不到,但在計算機軟件中很容易看到,這是AICFD計算結果,可以非常清楚的看到水旋轉后,內部產生的這個二次流。茶葉就這樣被帶著聚攏到了中心。

流體力學告訴你,如何在食堂免費湯中舀到更多菜?的圖6

最終就呈現出了我們看到的茶葉不會被甩到周圍而在中心的“茶葉悖論”。

參考茶葉悖論,盛免費湯的秘訣,可能要改一改了,我發明了一個新秘訣,咱們去實踐一下:

輕攪兩圈湯,精華聚中央,看準舀一勺,蔬菜都盛上。

流體力學告訴你,如何在食堂免費湯中舀到更多菜?的圖7

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