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网红脏脏茶的招牌虎纹,其实是有140年历史的经典物理现象 | 科学DIY

2019-11-14  真友书屋
    本文由公众号“把科学带回家”提供,IDsteamforkids

    网红奶茶脏脏茶为什么会有这么奇特的“虎纹”?

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    其实,这种虎纹,和蘑菇云的原理是一样的哦,这是一个有近140年历史的经典物理现象。一起来看看怎么在家制造它们。

    关键概念

    瑞利-泰勒不稳定性

    材料和操作

    食用色素

    蜂蜜,或者糖浆

    1 准备一杯白开水,和一杯加了色素的蜂蜜水。

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    2 在蜂蜜水杯上放一片塑料片。

    3 像这样把蜂蜜水扣在白开水杯上面,然后拉开塑料片,观察两种液体的混合。

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    @Nicole Sharp

    4 其实在红茶或者咖啡里加入牛奶时也可以观察到类似的现象,但是速度比较快,人眼很难看清。

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    如果你没有实验材料,可以看一下剑桥大学物理系的 Megan S. Davies Wykes 和 Stuart B. Dalziel 做的,非常漂亮。

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    分隔不同密度液体的隔板被拉开后,两种液体的界面交融时的现象。

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    原理

    我们观察到的现象,叫做瑞利-泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor instability,又称 RT 不稳定)。瑞利-泰勒不稳定性是描述两种密度不同的流体的界面动态的物理现象。

    这个现象最开始是在1880年,由英国物理学家、诺奖获得者、第三代瑞利男爵在研究卷云时发现的。后来在1950年,英国物理学家杰弗里·泰勒 (G. I. Taylor)对它进行了进一步的拓展,他发现加速低密度的液体时,低密度液体也会以类似的形式和高密度液体混合。

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    瑞利-泰勒不稳定性

    @Megan S. Davies Wykes & Stuart B. Dalziel 

    一般来说,当密度更小的流体在密度更大的流体下方时,由于重力加速度的作用,就会发生瑞利-泰勒不稳定性。地球上处处都可以看到瑞利-泰勒不稳定性,比如火山爆发或核弹产生的蘑菇云,还有脏脏茶的花纹。

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    两种流体的界面长出了类似手指或蘑菇一样的东西,就是瑞利-泰勒不稳定性正在发生的证据。

    这种“手指”的形态大致由两种流体的密度差——阿特伍德数决定(阿特伍德数等于两个流体密度的差除以密度的和)。

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    在水里滴入密度较大的颜料,就会产生细长的手指图案,这就是瑞利-泰勒不稳定性的例子。

    @James Riordon, AIP

    阿特伍德数接近0的时候,瑞利-泰勒不稳定性的表现形式是细长的鬼爪(上图);阿特伍德数接近1的时候,密度更小的流体穿越密度更大的流体时就会变成蘑菇云的形态。

    所以说呢,脏脏茶和蘑菇云的阿特伍德数接近1(蘑菇云里是密度比较低的气体)。

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    但是你肯定会有疑问,既然普通奶茶和脏脏茶都会产生瑞利-泰勒不稳定性,那么脏脏茶为什么比普通奶茶更持久呢?

    其实,这是因为脏脏茶用了黏度远大于茶水的黑糖,因此雷诺数比较小,不稳定性的增长比较慢,能够减少湍流。用人话说就是,黏糊糊的黑糖放慢了瑞利-泰勒不稳定性的动作。

    换句话说,你花在脏脏茶上的溢价,其实是为了观赏瑞利-泰勒不稳定性。

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    要观赏瑞利-泰勒不稳定性不需要盯着奶茶嘛。在宇宙中也可以观察到巨型的瑞利-泰勒不稳定性哦,比如太阳的日冕、蟹状星云。

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    蟹状星云的形态是磁流体瑞利-泰勒不稳定性的结果

    @ESO

    2000年发表在《科学》上的一项研究显示,海洋噪声的主要来源之一——枪虾还是运用瑞利-泰勒不稳定性的高手。

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    枪虾

    它们先是用鳌制造气泡,这个气泡继而因为瑞利-泰勒不稳定性而破裂,发出类似打枪的巨大噪音,枪虾的名字就是这么来的。

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    枪虾利用瑞利-泰勒不稳定性打枪

    对了,煮火锅的时候,汤泛起来的花纹并不是瑞利-泰勒不稳定性产生的,而是瑞利-贝纳德对流(Rayleigh–Bénard convection)的例子。

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    瑞利-贝纳德对流的图案,叫做贝纳德原胞(Bénard cell)。

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    贝纳德原胞

    @Jens Niemeyer

    当流体下方被加热时,就会产生瑞利-贝纳德对流,以及贝纳德原胞这种图案。瑞利-贝纳德对流的原理是,下方被加热的液体密度小,上方较冷的液体密度大,所以产生了不稳定性。

    瑞利-泰勒不稳定性和瑞利-贝纳德对流是流体力学的两个基本模型,是分别可以用于在喝奶茶,吃火锅时下饭的知识。

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    今天吃什么好呢?

    一份鸳鸯贝纳德原胞锅,配一杯瑞利-泰勒不稳定性溶液吧!

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