網紅髒髒茶的招牌虎紋,其實是140年前才被理解的經典物理現象

把科學帶回家” 提供


網紅奶茶髒髒茶為什麼會有這麼奇特的“虎紋”?


網紅髒髒茶的招牌虎紋,其實是140年前才被理解的經典物理現象


其實,這種虎紋,和蘑菇雲的原理是一樣的哦,這是一個有近140年曆史的經典物理現象。一起來看看怎麼在家制造它們。




關鍵概念


瑞利-泰勒不穩定性


材料和操作


食用色素

蜂蜜,或者糖漿




1 準備一杯白開水,和一杯加了色素的蜂蜜水。


網紅髒髒茶的招牌虎紋,其實是140年前才被理解的經典物理現象


2 在蜂蜜水杯上放一片塑料片。


3 像這樣把蜂蜜水扣在白開水杯上面,然後拉開塑料片,觀察兩種液體的混合。


網紅髒髒茶的招牌虎紋,其實是140年前才被理解的經典物理現象

@Nicole Sharp


4 其實在紅茶或者咖啡里加入牛奶時也可以觀察到類似的現象,但是速度比較快,人眼很難看清。


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如果你沒有實驗材料,可以看一下劍橋大學物理系的 Megan S. Davies Wykes 和 Stuart B. Dalziel 做的,非常漂亮。


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分隔不同密度液體的隔板被拉開後,兩種液體的界面交融時的現象。


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原理


我們觀察到的現象,叫做瑞利-泰勒不穩定性(Rayleigh-Taylor instability,又稱 RT 不穩定)。瑞利-泰勒不穩定性是描述兩種密度不同的流體的界面動態的物理現象。


這個現象最開始是在1880年,由英國物理學家、諾獎獲得者、第三代瑞利男爵在研究捲雲時發現的。後來在1950年,英國物理學家傑弗裡·泰勒 (G. I. Taylor)對它進行了進一步的拓展,他發現加速低密度的液體時,低密度液體也會以類似的形式和高密度液體混合。


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瑞利-泰勒不穩定性

@Megan S. Davies Wykes & Stuart B. Dalziel


一般來說,當密度更小的流體在密度更大的流體下方時,由於重力加速度的作用,就會發生瑞利-泰勒不穩定性。地球上處處都可以看到瑞利-泰勒不穩定性,比如火山爆發或核彈產生的蘑菇雲,還有髒髒茶的花紋。


網紅髒髒茶的招牌虎紋,其實是140年前才被理解的經典物理現象


兩種流體的界面長出了類似手指或蘑菇一樣的東西,就是瑞利-泰勒不穩定性正在發生的證據。


這種“手指”的形態大致由兩種流體的密度差——阿特伍德數決定(阿特伍德數等於兩個流體密度的差除以密度的和)。


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在水裡滴入密度較大的顏料,就會產生細長的手指圖案,這就是瑞利-泰勒不穩定性的例子。

@James Riordon, AIP


阿特伍德數接近0的時候,瑞利-泰勒不穩定性的表現形式是細長的鬼爪(上圖);阿特伍德數接近1的時候,密度更小的流體穿越密度更大的流體時就會變成蘑菇雲的形態。


所以說呢,髒髒茶和蘑菇雲的阿特伍德數接近1(蘑菇雲裡是密度比較低的氣體)。


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但是你肯定會有疑問,既然普通奶茶和髒髒茶都會產生瑞利-泰勒不穩定性,那麼髒髒茶為什麼比普通奶茶更持久呢?


其實,這是因為髒髒茶用了黏度遠大於茶水的黑糖,因此雷諾數比較小,不穩定性的增長比較慢,能夠減少湍流。用人話說就是,黏糊糊的黑糖放慢了瑞利-泰勒不穩定性的動作。


換句話說,你花在髒髒茶上的溢價,其實是為了觀賞瑞利-泰勒不穩定性。


網紅髒髒茶的招牌虎紋,其實是140年前才被理解的經典物理現象


要觀賞瑞利-泰勒不穩定性不需要盯著奶茶嘛。在宇宙中也可以觀察到巨型的瑞利-泰勒不穩定性哦,比如太陽的日冕、蟹狀星雲。


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蟹狀星雲的形態是磁流體瑞利-泰勒不穩定性的結果

@ESO


2000年發表在《科學》上的一項研究顯示,海洋噪聲的主要來源之一——槍蝦還是運用瑞利-泰勒不穩定性的高手。


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槍蝦


它們先是用鰲製造氣泡,這個氣泡繼而因為瑞利-泰勒不穩定性而破裂,發出類似打槍的巨大噪音,槍蝦的名字就是這麼來的。


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槍蝦利用瑞利-泰勒不穩定性打槍


對了,煮火鍋的時候,湯泛起來的花紋並不是瑞利-泰勒不穩定性產生的,而是瑞利-貝納德對流(Rayleigh–Bénard convection)的例子。


網紅髒髒茶的招牌虎紋,其實是140年前才被理解的經典物理現象


瑞利-貝納德對流的圖案,叫做貝納德原胞(Bénard cell)。


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貝納德原胞

@Jens Niemeyer


當流體下方被加熱時,就會產生瑞利-貝納德對流,以及貝納德原胞這種圖案。瑞利-貝納德對流的原理是,下方被加熱的液體密度小,上方較冷的液體密度大,所以產生了不穩定性。


瑞利-泰勒不穩定性和瑞利-貝納德對流是流體力學的兩個基本模型,是分別可以用於在喝奶茶,吃火鍋時下飯的知識。


網紅髒髒茶的招牌虎紋,其實是140年前才被理解的經典物理現象


今天吃什麼好呢?


一份鴛鴦貝納德原胞鍋,配一杯瑞利-泰勒不穩定性溶液吧!


https://shimo.im/docs/QH8t3trYdxDGDkjd/


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