不会煮汤圆的物理学家不是好厨师 | 正经玩

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今天是正月十五元宵节

先祝大家元宵节快乐~

不知道大家有没有吃汤圆/元宵呢

其实啊

这汤圆/元宵煮的好

流体力学少不了

小编就在煮汤圆的过程中

发现了一个有趣的现象

快来看看吧~

实验器材

所标杯、汤圆、乒乓球、电磁炉、铁盆、汤勺、打蛋器

实验过程

首先将汤圆放入锅盆中煮熟

以汤圆悬浮在水中

不与盆底接触为准

这时用汤勺的一端在水中搅动

可以看到汤圆会自动

向旋涡中心运动

最后聚集在一起

为了进一步研究

我们做了下面两组对照实验

用打蛋器在水中搅动

分别观察悬浮在水下的汤圆

和漂浮在水面的乒乓球

会有什么不同的现象

首先是汤圆

和之前一样

汤圆会向旋涡中心运动

即使被打蛋器弹开

之后还是会向中心聚集

而乒乓球却与之相反

会远离旋涡中心直到盆的边缘

即使用手将乒乓球推向中心

乒乓球还是会被“弹开”到边缘

两者一起观察

原理解说

通常的直觉告诉我们，在水中做圆周运动的物体会因为缺乏向心力而做离心运动，进而被甩到容器边缘。但是实验中，盆子里的汤圆非但没有甩出去的迹象，反而神奇地做起了向心运动。著名的茶叶悖论（Tea leaf paradox）也讨论了一个类似的问题，搅动一杯泡好的茶，杯中的茶叶最终会停留在杯子的底部中央。这些有趣的现象需要用二次流来进行解释。

茶叶悖论[1]

二次流是指一种流动(主流)引起的另一种性质不同的流动。当我们搅动盆子里的水时，水会做圆周运动。对于盆底部的水，由于盆壁会对水产生摩擦，减慢水的流速。因此，盆壁处的流速小于盆中心处的流速。又由伯努利原理可知，盆壁处水的压强要大于中心处的压强。因此，盆底的水有从盆壁流向中心，再从盆底流向液面的趋势。对于液面的水，由于液面是常压面，在较大离心力的作用下，液面附近的水会从中心流向盆壁。于是盆中的水就形成了如下图所示的二次流。受二次流的影响，位于盆底的汤圆会受水流影响，向中心聚集。而位于表面的乒乓球则会因为水流的作用，向盆壁运动。也正如实验中所看到的现象一样。
二次流示意图[2]

二次流在生活中还有一个很有趣的例子是关于河流的。当河道出现弯曲时，水流在此处会形成二次流，仿照前面的分析。流动方向是：河底的水从凹岸流向凸岸，河面的水从凸岸流向凹岸。这就会使凹岸底部的石块被带到凸岸，从而使凹岸被“掏空”，凸岸变浅。河道也因此会弯曲的更厉害。

弯曲的河流[3]

分析完实验原理，小编突然想到，既然这二次流能把水底的物体聚集到一起，那以后吃火锅找不到毛肚的时候，用筷子搅一搅，再在锅中心捞一捞，就一定能找到了。嗯，学了物理，又让我“充实”了不少呢。

[1] Tea leaf paradox - wikipedia[2] 茶叶悖论 - www.zhihu.com[3] Nowitna River - wikipedia

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