2020-01-11 18:59:22 阅读:2048
摘要: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。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。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。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。

优德宣传片|网红脏脏茶的招牌虎纹,其实是140年前才被理解的经典物理现象

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网红奶茶脏脏茶为什么会有这么奇特的“虎纹”?

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。

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。

@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。

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。

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。

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。

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。

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)。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

瑞利-贝纳德对流的图案,叫做贝纳德原胞(bénard cell)。

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。

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!

无标注图片来源网络。

动图来源和参考资料储存于石墨:

https://shimo.im/docs/qh8t3trydxdgdkjd/

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