網紅髒髒茶的招牌虎紋，其實是有140年曆史的經典物理現象 | 科學DIY_風聞

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網紅奶茶髒髒茶為什麼會有這麼奇特的“虎紋”？

其實，這種虎紋，和蘑菇雲的原理是一樣的哦，這是一個有近140年曆史的經典物理現象。一起來看看怎麼在家制造它們。

關鍵概念

瑞利-泰勒不穩定性

材料和操作

水

食用色素

蜂蜜，或者糖漿

1 準備一杯白開水，和一杯加了色素的蜂蜜水。

2 在蜂蜜水杯上放一片塑料片。

3 像這樣把蜂蜜水扣在白開水杯上面，然後拉開塑料片，觀察兩種液體的混合。

@Nicole Sharp

4 其實在紅茶或者咖啡里加入牛奶時也可以觀察到類似的現象，但是速度比較快，人眼很難看清。

如果你沒有實驗材料，可以看一下劍橋大學物理系的 Megan S. Davies Wykes 和 Stuart B. Dalziel 做的，非常漂亮。

分隔不同密度液體的隔板被拉開後，兩種液體的界面交融時的現象。

原理

我們觀察到的現象，叫做瑞利-泰勒不穩定性（Rayleigh-Taylor instability，又稱 RT 不穩定）。瑞利-泰勒不穩定性是描述兩種密度不同的流體的界面動態的物理現象。

這個現象最開始是在1880年，由英國物理學家、諾獎獲得者、第三代瑞利男爵在研究捲雲時發現的。後來在1950年，英國物理學家傑弗裏·泰勒 (G. I. Taylor)對它進行了進一步的拓展，他發現加速低密度的液體時，低密度液體也會以類似的形式和高密度液體混合。

瑞利-泰勒不穩定性

@Megan S. Davies Wykes & Stuart B. Dalziel 

一般來説，當密度更小的流體在密度更大的流體下方時，由於重力加速度的作用，就會發生瑞利-泰勒不穩定性。地球上處處都可以看到瑞利-泰勒不穩定性，比如火山爆發或核彈產生的蘑菇雲，還有髒髒茶的花紋。

兩種流體的界面長出了類似手指或蘑菇一樣的東西，就是瑞利-泰勒不穩定性正在發生的證據。

這種“手指”的形態大致由兩種流體的密度差——阿特伍德數決定（阿特伍德數等於兩個流體密度的差除以密度的和）。

在水裏滴入密度較大的顏料，就會產生細長的手指圖案，這就是瑞利-泰勒不穩定性的例子。

@James Riordon, AIP

阿特伍德數接近0的時候，瑞利-泰勒不穩定性的表現形式是細長的鬼爪（上圖）；阿特伍德數接近1的時候，密度更小的流體穿越密度更大的流體時就會變成蘑菇雲的形態。

所以説呢，髒髒茶和蘑菇雲的阿特伍德數接近1（蘑菇雲裏是密度比較低的氣體）。

但是你肯定會有疑問，既然普通奶茶和髒髒茶都會產生瑞利-泰勒不穩定性，那麼髒髒茶為什麼比普通奶茶更持久呢？

其實，這是因為髒髒茶用了黏度遠大於茶水的黑糖，因此雷諾數比較小，不穩定性的增長比較慢，能夠減少湍流。用人話説就是，黏糊糊的黑糖放慢了瑞利-泰勒不穩定性的動作。

換句話説，你花在髒髒茶上的溢價，其實是為了觀賞瑞利-泰勒不穩定性。

要觀賞瑞利-泰勒不穩定性不需要盯着奶茶嘛。在宇宙中也可以觀察到巨型的瑞利-泰勒不穩定性哦，比如太陽的日冕、蟹狀星雲。

蟹狀星雲的形態是磁流體瑞利-泰勒不穩定性的結果

@ESO

2000年發表在《科學》上的一項研究顯示，海洋噪聲的主要來源之一——槍蝦還是運用瑞利-泰勒不穩定性的高手。

槍蝦

它們先是用鰲製造氣泡，這個氣泡繼而因為瑞利-泰勒不穩定性而破裂，發出類似打槍的巨大噪音，槍蝦的名字就是這麼來的。

槍蝦利用瑞利-泰勒不穩定性打槍

對了，煮火鍋的時候，湯泛起來的花紋並不是瑞利-泰勒不穩定性產生的，而是瑞利-貝納德對流（Rayleigh–Bénard convection）的例子。

瑞利-貝納德對流的圖案，叫做貝納德原胞（Bénard cell）。

貝納德原胞

@Jens Niemeyer

當流體下方被加熱時，就會產生瑞利-貝納德對流，以及貝納德原胞這種圖案。瑞利-貝納德對流的原理是，下方被加熱的液體密度小，上方較冷的液體密度大，所以產生了不穩定性。

瑞利-泰勒不穩定性和瑞利-貝納德對流是流體力學的兩個基本模型，是分別可以用於在喝奶茶，吃火鍋時下飯的知識。

今天吃什麼好呢？

一份鴛鴦貝納德原胞鍋，配一杯瑞利-泰勒不穩定性溶液吧！