這個問題是我們大多數人在生活中都經歷過的,但如果不是專門了解過的話,可能很難說清楚到底是為什麼。鹿角網曾經為這個問題煩惱過,直到找到其中的竅門,才終於解決了這個煩惱。
聽起來可能會有些不可思議,因為導致我們沒法好好倒水的原因竟然也是飛機飛行的原因。對於飛機來說,周圍的空氣附著在機翼上,產生飛行所需的升力,對於杯子來說,裡面的液體會緊貼著彎曲的杯口,然後沿著杯口附近的外側表面滴落下來,給我們留下一堆需要清理的東西。
我們把這種現象稱為「柯恩達效應」,或者附壁作用,根據不同的翻譯,也被稱為「康達效應」、「科安達效應」等。它解釋了流體附著在曲面上的現象。
這種效應最早是由羅馬尼亞工程師、數學家亨利·柯恩達發現的。1910年,年輕的柯恩達偶然發現了這個現象,當時他正在測試他建造的柯恩達-1910飛機。
雖然這架飛機沒有飛起來,甚至在預熱期間起火了,但對柯恩達而言並不完全是白費功夫,因為他注意到了一些不尋常的事情。他觀察到從發動機排出的燃燒氣體在飛機機身附近飛行。隨後的實驗和研究最終使他證實了我們現在所知道的「柯恩達效應」。
柯恩達本人將這種效應描述為「從孔口噴射出的流體傾向於跟隨鄰近的平面或曲面,並將流體從周圍環境中吸入,從而形成一個低壓區域。」
簡單地說,柯恩達效應是諸如空氣或任何其他液體之類的流體粘附並沿著平坦和彎曲表面流動的趨勢。
從孔口出來的噴射流將周圍的空氣吹走,這股噴射流的速度比周圍空氣的速度要快。根據伯努利原理,速度越快,流體的壓力越低,反之亦然。所以,低壓射流被相對高壓的環境空氣所包圍。周圍的空氣從兩邊推動飛機,使它在中間保持平衡。
當一個固體表面在射流的一側出現時,高壓環境空氣將這個射流向上推,使這股射流保持平衡。而來自另一側的環境空氣迫使射流向下,使其粘附在表面上。即使這個表面是彎曲的,射流也會繼續附著在表面上。
回到我們的問題,從杯子裡倒水很困難有兩個原因。首先,是由於液體的表面張力而造成困難,其次,是由於柯恩達效應導致液體分子粘附在杯子表面上而造成困難。表面張力和柯恩達效應共同作用,把我們的桌子弄得一團糟。
杯子裡的液體分子受到周圍空氣的壓力。當一個人從杯子裡倒東西時,周圍的壓力會迫使液體附著在杯子的表面。即使當杯子的表面在杯口處彎曲時,分子仍然會被粘住。由於柯恩達效應,為了防止液體滴落,重力必須克服液體的表面張力和液體與杯子表面的附著力。十分之九的情況下,這些力加在一起太大了,重力無法克服,所以液體會順著杯子表面滴下來。
柯恩達效應也被認為是機翼形狀產生升力的原因,儘管這一點尚未得到證實。很長一段時間以來,人們認為翼型產生升力是伯努伊利原理的結果,但是使用模擬軟體進行的大量研究證明並非如此。
機翼兩邊都是彎曲的,正如柯恩達效應所暗示的那樣,流體顆粒附著在彎曲的表面上。這種附著力迫使氣流向下流動。要使流體附著,顆粒頂部的壓力必須大於底部的壓力。這也會在機翼的相對兩側產生壓力差,從而產生升力。此外,根據牛頓第三定律,向下流動產生向上的力的形式是升力。
除了在飛機上產生升力外,柯恩達效應的其他應用還包括水力發電、振蕩流量計、空調等。在計量、汽車、醫藥等領域也有應用。在汽車中,這種效應主要由F1汽車製造商用來保持廢氣以及某些流體分配器中的廢氣,而在醫學中,這種效應出現在呼吸機中,幫助我們更好地理解人類心臟二尖瓣返流。
當然,柯恩達效應並不是普遍適用的,它只適用於曲率不是很尖銳的曲面。因此,為了避免飲料灑出,請讓杯子與水平面保持一個更大的角度,迅速倒出!