茶壺上的力學(xué)

中國的茶文化歷史悠久，飲茶自然少不了茶壺.提起茶壺，不少同學(xué)會聯(lián)想到物理老師講過的，或者在《十萬個(gè)為什么》里讀到的“連通器原理”和大氣壓的應(yīng)用，本文就來談?wù)劜鑹卦谠O(shè)計(jì)和制作中涉及到的相關(guān)力學(xué)知識.

1.在材料的選擇方面

制作茶壺的材料有瓷質(zhì)、陶質(zhì)、玻璃、鑄鐵及純銀等，其中又以陶質(zhì)的紫砂泥為最佳.這是因?yàn)樽仙澳嘤幸韵绿厥獾奈锢韺傩?（1）可塑性好.紫砂泥可以任意捶壓、拍打、擠壓、雕琢、鑲接，制作成任意大小各異的不同造型，制作時(shí)黏合性好，如壺嘴、壺把、壺底均可單獨(dú)加工后，再粘到壺身上加以雕琢并加工.（2）干燥收縮率小.紫砂陶從泥坯成型到燒成收縮8%左右，燒成溫度范圍較大、變形率小、強(qiáng)度大，制作過程中結(jié)構(gòu)的變形可把握，因此紫砂壺的口蓋能做到嚴(yán)絲合縫、造型輪廓線條規(guī)矩、比例合理.（3）紫砂泥本身最大的特點(diǎn)，就是不需要加配其他黏性原料就能單獨(dú)成陶.成品陶在顯微鏡下就是周身布滿氣孔的團(tuán)聚體；這些團(tuán)聚體內(nèi)部為閉口氣孔，而包在周圍的為開口氣孔.在燒制過程中，就因這種特殊結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚體產(chǎn)生較大的收縮而生成一層斷斷續(xù)續(xù)的開口氣孔群，具有良好的透氣性；其冷熱急變機(jī)能也好，即便開水沖泡后，再加入冷水中也不炸裂.科學(xué)研究表明，紫砂壺確實(shí)有保持茶湯原味的功能，它能吸收茶汁，而且紫砂壺使用的年代越久，壺身色澤就愈加光潤古雅，泡出來的茶湯也就越醇郁芳馨，甚至在空壺里注入沸水都會有一股清淡的茶香.紫砂的這些獨(dú)特質(zhì)地，使紫砂壺極適于沏茶，用它所沏的茶水，色香味俱全，配以其精美的藝術(shù)造型，使品茶達(dá)到完美的境界.

2.在器型設(shè)計(jì)方面

我們知道，茶壺一般由壺嘴、壺身、壺蓋和壺把組成.

根據(jù)茶壺壺身形態(tài)特征的不同可分為圓器和方器，圓器主要由不同方向和曲度的曲線構(gòu)成的茶壺.骨肉勻稱、轉(zhuǎn)折圓潤、雋永耐看；方器則主要由長短不等的直線構(gòu)成的茶壺，這種茶壺線面挺刮平整、輪廓分明，顯示出干凈利落、明快挺秀的陽剛之美.不僅如此，這樣的構(gòu)造還能增加茶壺的容積，能提高茶壺在搬運(yùn)過程中的耐擠壓性.

根據(jù)壺把造型的不同，常見的茶壺通常有側(cè)提壺，壺把成耳狀，在壺嘴對面；提梁壺，壺把在壺蓋上方成虹狀者；飛天壺，壺把在壺身一側(cè)上方、呈彩帶飛舞；握把壺，壺把如握柄，與壺身成直角；無把壺，無握把，手持壺身頭部倒茶.茶壺的壺把是我們倒茶時(shí)的著力點(diǎn)部位，它在茶壺的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中非常重要，壺把的設(shè)計(jì)是否巧妙合理，與我們手握茶壺時(shí)的受力作用點(diǎn)和茶壺注滿茶水時(shí)重心的位置相關(guān).

根據(jù)壺底的不同造型又可分為捺底壺，茶壺底心捺成內(nèi)凹狀，不另加足；釘足壺，茶壺底上有3顆外突的足；加底壺，茶壺底加一個(gè)圈足.茶壺的壺底的設(shè)計(jì)與制作直接影響茶壺?cái)[放時(shí)的穩(wěn)度以及是否容易發(fā)生側(cè)滑.在使用茶壺的過程中，如果觸摸茶壺的底部就會發(fā)現(xiàn)，茶壺壺底部位特別粗糙，那并不是制作者的大意，而是有意為之，因?yàn)檫@樣可以增大壺底與桌面間的摩擦，使茶壺不至于稍微受力就會在支承面上發(fā)生滑動造成茶水四溢，甚至損毀茶壺.

3.壓強(qiáng)知識在茶壺上的應(yīng)用

（1）連通器原理

茶壺壺身與壺嘴可以分別看做一個(gè)容器，它們上端開口、底部連通，像這樣的容器叫做連通器.

我們可以借助于圖1來理解一下連通器的一個(gè)重要特點(diǎn)：圖1-（a）中左右兩個(gè)容器底部的中間有一閥門A，關(guān)閉閥門，往左右兩側(cè)的容器中分別注入高度不同的水，根據(jù)液體內(nèi)部壓強(qiáng)的規(guī)律可知：在同種液體內(nèi)部，液體壓強(qiáng)隨著深度的增加而增大，所以閥門A左側(cè)所受水的壓強(qiáng)p1大于右側(cè)所受水的壓強(qiáng)p2，如果此時(shí)打開閥門A，水自然會從左側(cè)的容器中從容器底部流向右側(cè)容器，直至兩側(cè)容器中水面相平，如圖1-（b）所示.此時(shí)即使我們將容器傾斜放置，兩側(cè)容器中的水面仍然會保持相平，如圖1-（c）所示.這樣的特點(diǎn)叫“連通器原理”，即當(dāng)在連通器的各個(gè)容器中注入同種液體且液體靜止時(shí)，各容器中液面總會保持相平.

生活中的船閘、鍋爐水位計(jì)就運(yùn)用了此原理，這一原理也是茶壺制作過程中的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，它決定了茶壺在制作時(shí)壺嘴與壺身的高度關(guān)系——如果壺身比壺嘴高，那么茶壺里的水就不可能注滿到壺身；如果壺身比壺嘴低，那么壺身注滿時(shí)，水不會從壺嘴溢出，并且倒水的時(shí)候就容易出現(xiàn)水很難從壺嘴倒出，反而易從壺口處溢出的情況.因此，如果你留心觀察過，茶壺的壺身通常與壺嘴被制作成等高（如圖2所示）.

（2）大氣壓的應(yīng)用

在使用茶壺沖泡茶葉時(shí)，為了減少混有黃曲霉菌等霉菌的空氣流入，相對推遲茶變質(zhì)發(fā)餿的時(shí)間，長時(shí)間地保持茶的色香味，這就要求在制作茶壺時(shí)盡量使壺蓋與壺口緊密配合，但如果只注意使壺蓋與壺口密合，那么在向外倒茶時(shí)，隨著茶水的流出，壺內(nèi)氣體體積變大，氣體壓強(qiáng)變小，此時(shí)外界大氣壓大于壺內(nèi)氣壓，當(dāng)小到一定程度時(shí)就會帶來“倒不出茶水”的窘境.那么制壺時(shí)是怎樣解決這一問題的呢？仔細(xì)觀察茶壺，細(xì)心的同學(xué)會發(fā)現(xiàn)茶壺蓋上留有小孔，這叫通氣孔（如圖2所示），有了這通氣孔，隨著茶水的流出，壺外空氣能從通氣孔及時(shí)補(bǔ)充進(jìn)壺內(nèi)，從而保持壺內(nèi)外的大氣壓強(qiáng)相等，這樣壺內(nèi)的水就會在重力作用下源源不斷地流下來.制作壺蓋上的通氣孔還有一定的考究呢，大小要合適，通氣孔要制成成喇叭形（內(nèi)大外?。?，這樣通氣孔不會輕易被水氣糊住，倒茶時(shí)空氣也能及時(shí)地進(jìn)入壺內(nèi).

日常生活中使用的許多物品在制作和應(yīng)用的過程中都蘊(yùn)含著一定的物理道理，只要我們處處留心，勤于思考，就一定能探究出其中的奧秘！