環(huán)球

咖啡為何會(huì)灑出杯子？這個(gè)小問(wèn)題涉及多個(gè)復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題。

路斯蘭·克雷奇特尼科夫是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的流體力學(xué)家，在最近的一個(gè)數(shù)學(xué)會(huì)議上，他看著同事小心翼翼地端咖啡時(shí)不禁想到，為什么有時(shí)候咖啡會(huì)溢出來(lái)，有時(shí)又不會(huì)呢？于是一個(gè)新的研究項(xiàng)目誕生了。

盡管看起來(lái)只是個(gè)小問(wèn)題，其中卻涉及很多基礎(chǔ)科學(xué)原理，包括流體力學(xué)、液體表面穩(wěn)定性、液體與容器相互作用，還有行走過(guò)程涉及的復(fù)雜生物學(xué)。

他和一名研究生觀(guān)察人們端著咖啡杯行走的高速錄像，分析步行速度等因素對(duì)杯內(nèi)咖啡的影響。通過(guò)逐幀分析，他們發(fā)現(xiàn)在人們步速穩(wěn)定后，行走本身會(huì)導(dǎo)致咖啡杯大幅度有規(guī)律的振動(dòng)，而每踏一步所產(chǎn)生的那種起伏，以及其他環(huán)境因素（如地面不平或分神等）還會(huì)導(dǎo)致杯子小幅度不規(guī)律地振動(dòng)。

咖啡溢不溢出，很大程度上取決于它的自然振動(dòng)頻率，即它最易產(chǎn)生的振動(dòng)頻率，好比每個(gè)鐘擺的振動(dòng)頻率都取決于它的長(zhǎng)度和重力一樣。當(dāng)咖啡杯的大幅規(guī)律運(yùn)動(dòng)與咖啡的自然振動(dòng)頻率接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，就像在恰當(dāng)?shù)奈恢猛魄锴?，?huì)使秋千越擺越高一樣，這時(shí)咖啡溢出的概率就大大增加。另外，小幅度不規(guī)律的振動(dòng)也有可能“放大”咖啡的運(yùn)動(dòng)幅度。

揭示咖啡流動(dòng)和人體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，有助于我們找到防止液體溢出的方法，“比如設(shè)計(jì)一種柔韌的容器來(lái)緩沖振動(dòng)”，克雷奇特尼科夫說(shuō)。而在容器內(nèi)壁的底部和頂部安裝一系列圓環(huán)也有助于消除液體振動(dòng)。

編輯/王一鳴