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为什么搅拌后的茶叶会聚在杯子底部中央?

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提问者所说的这个现象被称为“茶叶悖论”,即茶叶并不像我们常识中认为的那样被水流甩到杯壁处聚集,而是会聚集在杯子中央靠近底部的位置,其原因如下。

首先来分析茶水的运动。当我们搅拌茶水时,茶水会旋转此时受力分得知茶水会形成一种中间低两边高的倒锥形结构:由于外高内低,显然存在由外向内的压强差,而这压强差差生的压力平衡了茶水旋转离心力,使茶水整体平稳旋转。

进一步细致分析,茶水在运动时杯壁对其有较大摩擦力,靠近杯壁与杯底处的水流转速会因摩擦力变慢,此时此处水内部的压强差(指向旋转圆心)>茶水旋转离心力,又由于水内部的流动性,不同部位直接的水流会分层。

最终导致靠近杯壁处的水流会在过剩压强差与重力的作用下从上向下运动,在杯底处压强差会推着水流从外向内运动,而中央部位会形成从下向上的补充水流,最终水的流动如下图所示。茶水的这种流动是明显的对流现象,在流体力学中被称为“二次流”,有着广阔的应用。

最后分析茶叶的运动。茶叶吸水后变得非常重,水的压力不足以平衡其旋转离心力,茶叶会先被“离心”到达杯壁,这也是我们通常认为的那样。但由于杯壁处存在流动的二次流,在其作用下,茶叶会被向下再向内带到杯底中央,并且杯底中央向上的补充流无法提供足够的升力克服茶叶重力将其带起,因此茶叶在杯子中央靠近底部处聚集。

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回复技术参考:没想到搅拌个茶水还有这么多学问,什么倒锥形结构、二次流,真是让我大开眼界,感觉自己以前喝茶都白喝了
回复技术参考:这篇解释得好清楚呀,从茶水的运动到茶叶的运动,一步步分析,让我这种物理小白也能明白为什么茶叶会聚集在杯底中央了
回复技术参考:我一直以为茶叶会像离心运动那样被甩到杯壁就一直待在那儿了,原来还有杯壁摩擦力和二次流这些因素在起作用,太神奇了!

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