茶葉悖論與河道變遷

七君

大家平時(shí)有沒(méi)有注意到一個(gè)奇特的現(xiàn)象：泡茶的時(shí)候，如果攪動(dòng)茶水，茶葉會(huì)聚集到茶杯底部中心，而不會(huì)因?yàn)殡x心力分散到茶杯壁附近。這是怎么回事？

這個(gè)有趣的現(xiàn)象叫做茶葉悖論（tea leaf paradox）。這是由于液體和茶杯之間的摩擦，水杯中會(huì)出現(xiàn)二次流（secondary flow），也就是和旋轉(zhuǎn)面垂直的一圈圈水流。茶葉被卷入這個(gè)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(wú)法上升，最終被掃成了一團(tuán)（圖1）。

那么，茶葉悖論和河流又有什么關(guān)系呢？是這樣的，在愛(ài)因斯坦之前的19世紀(jì)中葉，地理學(xué)家中間流行著一種觀點(diǎn)，那就是在北半球，河床的侵蝕主要發(fā)生在河流的右岸，南半球在左岸，而這是地球自轉(zhuǎn)帶來(lái)的科里奧利力引發(fā)的。因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)，北半球的物體有向右拐的趨勢(shì)，這就是科里奧利力。這些地理學(xué)家認(rèn)為，因?yàn)榭评飱W利力，北半球右側(cè)河岸的泥沙容易被帶走，南半球則剛好反過(guò)來(lái)（圖2）。

不過(guò)，愛(ài)因斯坦在1926年發(fā)表的論文首次對(duì)河岸侵蝕現(xiàn)象給出了正確的解法。他指出，河流左右侵蝕的不平衡是因?yàn)楹铀幸灿泻筒璞镱?lèi)似的二次流。

假設(shè)河道中有圖3中AB這樣的一個(gè)彎彎，河水逆時(shí)針流，那么這個(gè)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(shí)針的，這就導(dǎo)致泥沙從右側(cè)被帶到左側(cè)底部堆積。這樣日積月累的結(jié)果就是，本來(lái)彎的河道就會(huì)變得更彎。最終，上面那條河的河床底部就會(huì)變成圖4的樣子。

而且河水的方向反過(guò)來(lái)也是一樣的，仍然是B邊被侵蝕。這怎么理解呢？就像你用勺子在杯子里打圈時(shí)，不管順時(shí)針打還是逆時(shí)針打，二次流的旋轉(zhuǎn)方向不受影響，最終茶葉都聚集在中間。對(duì)于河流來(lái)說(shuō)，二次流的方向也不會(huì)發(fā)生變化。也就是說(shuō)，在這種情況是河流水流方向的左側(cè)被侵蝕。

總而言之，愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)，不管河流方向?yàn)楹?，不管是在南半球還是北半球，河流的外彎側(cè)總會(huì)被侵蝕，沉積物被逐漸堆積到內(nèi)彎處，導(dǎo)致河流越來(lái)越彎，猶如長(zhǎng)了膿包。后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，河流的變化果然是這樣的。最后曲流甚至?xí)鲆粋€(gè)脫離主河道的牛軛湖（圖5）。

而愛(ài)因斯坦所描述的這種二次流后來(lái)就被取名為螺旋流（helicoidal flow）。剛才說(shuō)的是河道有一點(diǎn)點(diǎn)彎曲的情況。但即使一條河本來(lái)是直的，也可能被掰彎，被掰彎的原因也是二次流。你可能覺(jué)得奇怪，直的河道里河水不拐彎，沒(méi)有離心力啊，怎么還會(huì)有二次流呢？

原理是這樣的：由于地球自轉(zhuǎn)，直河的水流受到科里奧利力的微弱作用，會(huì)產(chǎn)生二次流。這個(gè)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(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)的水流和河床底部會(huì)發(fā)生左右摩擦，和水面相比底部的水流減速，從而產(chǎn)生二次流和相應(yīng)的侵蝕。換言之，只要地球在自轉(zhuǎn)，直河就會(huì)不由自主地想要變彎。

在這篇簡(jiǎn)潔有力的論文中，愛(ài)因斯坦還對(duì)河流侵蝕做出了幾個(gè)預(yù)測(cè)。比如，由于這個(gè)二次流具有慣性，因此最強(qiáng)烈的侵蝕應(yīng)該發(fā)生在河流拐彎處的下游。如此一來(lái)，一條河的彎彎會(huì)不斷往下游移動(dòng)，就像蛇扭來(lái)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小，因此大河的彎彎直徑也越大。這些都和事實(shí)相符（圖6）。

除了用來(lái)解釋河流侵蝕，茶葉悖論在啤酒的釀造中也有重要應(yīng)用。在釀啤酒時(shí)，麥芽的蛋白質(zhì)和脂肪等物質(zhì)會(huì)凝結(jié)形成酒花糟（trub）等雜質(zhì)。為了方便去除這些雜質(zhì)，麥汁被注入一個(gè)叫做回旋沉淀槽的旋轉(zhuǎn)大缸里，渣滓就會(huì)在底部中央聚集，很容易去除。這個(gè)技術(shù)就叫做旋液分離（圖7）。

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