答案就在發(fā)生于旋轉(zhuǎn)流體中的被稱為“壓力—動量平衡”的過程之中。我們攪動所形成的旋轉(zhuǎn)流體將會被保持在茶缸之中,而不是去沖破茶缸的四壁,這樣流體的旋轉(zhuǎn)形成的內(nèi)力應(yīng)該被流體內(nèi)的梯度壓力抵消。壓力在中心位置最低并向茶缸壁的方向逐漸增高。思考一下拴在繩子一端被掄動的重物,繩子的拉力阻止了重物飛出。繩子的這個拉力就相當(dāng)于茶水中的梯度壓力。
被攪動時,液體會被向外推,提高了茶缸壁的壓力,同時降低了中央位置的壓力。我們可以清楚地看到,隨著旋轉(zhuǎn)液體被推向外,在液體表面的中心形成一個小漩渦。事實上,要不是茶缸的四壁限制著茶水,它會輕而易舉地流出來灑在桌面上。因此,所有那些密度要比周圍液體小的漂浮顆粒,將向內(nèi)朝著壓力最低的茶缸中央運動。
這說明了問題,但是還有較重的物體也向內(nèi)運動。嘗試在茶水中放一些花生米甚至是小石子(記住這時不要用你最好的瓷器做實驗,而且即便你再渴,放入石子后的水最好還是不喝),你會發(fā)現(xiàn)花生米或小石子在你攪動茶水時仍然向中間匯聚。
茶缸較粗糙的缸底會產(chǎn)生較大的摩擦作用,比在液體接觸到的茶缸壁等其他部位要大,這是因為液體的旋轉(zhuǎn)面和茶缸底面平行。同時,空氣和旋轉(zhuǎn)液體在表面的摩擦作用是最小的,這使得液體運動要快一些。因此,在表面的較高壓力和底部的較低壓力之間也存在一個梯度。這導(dǎo)致形成了一個環(huán)流,即在攪動的作用下液體在表面向外運動,然后在茶缸壁附近向下,并沿著茶缸底向內(nèi),最后向上回到中心表面。像茶葉、小石子這類的顆粒被這個環(huán)流攜帶,最后在茶缸底部的中心停下來,那里是壓力最低的地方。重力也起到了一部分作用。液體不會在茶缸底部聚集成堆而且要保持運動,會沿著旋轉(zhuǎn)軸從茶缸底部向上流動。此時,較重的顆粒則在低壓和地球重力拉扯的聯(lián)合作用下,被滯留在底部。
物理學(xué)把這種顆粒的堆積作用叫做邊界層效應(yīng)。茶缸粗糙的底面是誘發(fā)這個性質(zhì)的關(guān)鍵因素。如果找到一個更光滑的容器,具有比一般廚房里的茶杯更小的摩擦作用,你看到的效果會大打折扣。
附注:
在大風(fēng)的日子里,垃圾會在陣陣旋風(fēng)中聚集,而不是散開撒落在路面上。形成這種現(xiàn)象的作用力,與在茶缸里發(fā)生作用的力是相同的類型。