原創 萬物 把科學帶回家

撰文 七君

大家平時有沒有注意到一個奇特的現象：用茶葉泡茶的時候，如果攪動茶水，茶葉會聚集到茶杯底部中心，而不會按照因為離心力分散到茶杯壁附近。這是怎么回事？

這個有趣的現象叫做茶葉悖論（tea leaf paradox）。你可能想象不出茶葉悖論和彎彎曲曲的河流有什么關系。一百年前，愛因斯坦巧妙地解釋了這個現象，并且把它和河流的九曲十八彎串聯起來。

在繞圈圈攪動茶水的時候，我們通常會認為茶水會隨著調羹一起旋轉，并且因為離心力而貼到杯壁上。

二次流（藍色） 圖片來源：wikipedia

但實際上，由于液體和茶杯之間的摩擦，水杯中會出現二次流（secondary flow），也就是和旋轉面垂直的一圈圈水流。茶葉被卷入這個二次流中，被掃到水杯底部中央。由于在二次流中，靠近茶杯底部的液體速度更小，那里的茶葉速度不夠無法上升，最終被掃成了一團。

茶杯中二次流的流動方向 圖片來源：（DOI）10.1007/BF01510300

那么，茶葉悖論和河流又有什么關系呢？

某條小河的河床被侵蝕 圖片來源：wikipedia

是這樣的，在愛因斯坦之前的19世紀中葉，地理學家中間流行著一種觀點，那就是在北半球，河床的侵蝕主要發生在河流的右岸，南半球在左岸，而這是地球自轉帶來的科里奧利力引發的。因為地球自轉，北半球的物體有向右拐的趨勢，這就是科里奧利力。

這些地理學家認為，因為科里奧利力，北半球右側的河岸的泥沙容易被帶走，南半球則剛好反過來，這個一度很流行的理論被稱為貝爾定律（Baer's law）。

地球是逆時針自轉，如圖中的圓盤。在科里奧利力的作用下，北半球的物體運動時會向右偏，如圖中的白球。

不過，愛因斯坦在1926年發表的論文（Die Ursache der M?anderbildung der Flu?l?ufe und des sogenannten Baerschen Gesetzes）首次對河岸侵蝕現象給出了正確的解法，將貝爾定律打入冷宮并賜了一丈紅。

愛因斯坦指出，河流左右侵蝕的不平衡是因為河水中也有和茶杯里類似的二次流。

河道AB的橫截面中會產生順時針的二次流，類似于茶杯橫截面右邊的情況。圖片來源：（DOI）10.1007/BF01510300

假設河道中有上圖中AB這樣的一個彎彎，河水逆時針流，那么這個彎彎就好比是茶杯的右半邊的情況，那里的二次流的方向是順時針的，這就導致泥沙從右側被帶到左側底部堆積。這樣日積月累的結果就是，本來彎的河道就會變得更彎。

最終，上面那條河的河床底部就會變成這個樣子——

圖片來源：（DOI）10.1007/BF01510300

河水的方向反過來也是一樣的，也是B邊被侵蝕。這怎么理解呢？就像你用勺子在杯子里打圈時，不管順時針打還是逆時針打，二次流的旋轉方向不受影響，最終茶葉都聚集在中間。對于河流來說，二次流的方向也不會發生變化。

也就是說，在這種情況下是河流水流方向的左側被侵蝕，顯然愛因斯坦的解釋和貝爾定律不符。

總而言之，愛因斯坦預測，不管河流方向為何，不管是在南半球還是北半球，河流的外彎側總會被侵蝕，沉積物被逐漸堆積到內彎處，導致河流越來越彎，猶如長了膿包。

后來的研究發現，河流的變化果然是這樣的。

秘魯境內烏卡亞利河的演變，河道越來越彎。 圖片來源：geogarific

最后曲流甚至會生出一個脫離主河道的牛軛湖。用圖畫出來就是——

曲流的生命周期，最終會形成牛軛湖（最下方的半圓）。 圖片來源：wikipedia

而愛因斯坦所描述的這種二次流后來就被取名為螺旋流（helicoidal flow）。

愛因斯坦進一步解釋，科里奧利力確實對侵蝕有一定的影響，但不是貝爾定律判斷的那樣。

剛才說的是河道有一點點彎曲的情況。但即使一條河本來是直的，也可能被掰彎，被掰彎的原因也是二次流。你可能覺得奇怪，直的河道里河水不拐彎，沒有離心力啊，怎么還會有二次流呢？

原理是這樣的：由于地球自轉，直河的水流受到科里奧利力的微弱作用，會產生二次流。

這個讓河流外拐的科里奧利力的水平分量是2vΩsinΦ。v是水流速度，Ω是地球轉速，Φ是緯度。水流速度越大，緯度越高，所受科里奧利力越大。

在科里奧利力的作用下，向前運動的水流和河床底部會發生左右摩擦，和水面相比底部的水流減速，從而產生二次流和相應的侵蝕。換言之，只要地球在自轉，直河就會不由自主地想要變彎。

在這篇簡潔有力的論文中，愛因斯坦還對河流侵蝕做出了幾個預測。

比如，因為這個二次流具有慣性，因此最強烈的侵蝕應該發生在河流拐彎處的下游。如此一來，一條河的彎彎會不斷往下游移動，就像蛇扭來扭去一樣。而一條河的橫截面越大，河床摩擦阻力的作用也越慢，因此大河的彎彎直徑也越大。這些都和事實相符。

曲流和牛軛湖 圖片來源：eos.org

愛因斯坦之后，有不少學者對這個問題進行了定量描述。1950年，愛因斯坦的大兒子、加州大學伯克利分校的教授漢斯·愛因斯坦（Hans A. Einstein）在父親的基礎上提出了泥沙運動力學理論，父子二人為河流泥沙工程學做出了奠基性的貢獻。

除了用來解釋河流侵蝕，茶葉悖論在啤酒的釀造中也有重要應用。

釀啤酒時的雜質trub （左）圖片來源：grainfather

在釀啤酒時，麥芽的蛋白質和脂肪等物質會凝結形成酒花糟（trub）等雜質。為了方便去除這些雜質，麥汁被注入一個叫做回旋沉淀槽的旋轉大缸里，渣滓就會在底部中央聚集，很容易去除。這個技術就叫做旋液分離。

最早想到這招的是加拿大的釀酒企業 the Molson，現在大多數啤酒釀酒廠用的都是這個思路。

回旋沉淀槽利用茶葉悖論分離酒花糟 圖片來源：hofbrauhaus

杯壁下流，拐彎抹角，沒錯，說的正是在下二次流。

把科學帶回家

ID：steamforkids

原創文章版權歸微信公眾號

“把科學帶回家”所有

轉載請聯系 bd@wanwuweb.com

無標注圖片來源網絡。

參考資料儲存于石墨：

https://shimo.im/docs/ctjvJqVQpwwqx8kp/ 喜歡此內容的人還喜歡

原標題：《你泡茶時沒發現什么不對勁嗎？愛因斯坦用它發了篇論文并開創了一個學科》

閱讀原文