【生活物理】為什麼咖啡容易潑出來?

■當你在咖啡店點了一杯咖啡後,過沒多久服務生就把你的熱騰騰的咖啡送了上來。如果咖啡裝的滿,而服務生的動作不夠穩,那你面前的咖啡可能只會剩下半杯。為什麼會這樣?一群美國的科學家找到了可能原因。

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圖片來源:sawadacoffee.com

撰文|陳勁豪

同樣是送上飲料,服務生送上啤酒的時候,就比較少出現飲料溢出杯外的問題。這肯定不是因為服務生送咖啡跟送啤酒的時候,走路的方式不一樣所造成的。究竟背後的原因是什麼?

紐約大學的Emilie Dressaire和她在普林斯頓大學的合作夥伴注意到了這個現象,因此決定做實驗來研究這個問題。他們注意到啤酒跟咖啡最大的差別就是,啤酒的杯口有泡沫,但是黑咖啡基本上跟水一樣,是沒有泡沫的。所以他們懷疑杯口的泡沫是杯中的液體是不是容易濺出的關鍵。

他們的實驗裝置很簡單,找一個可以用馬達控制搖晃程度的平台來模擬人拿著杯子走路的狀況,然後讓平台急速停止以模擬人走路停止的情形。平台上面放著幾種不同的液體:一杯健力士(guinness)啤酒,一杯一般啤酒,一杯黑咖啡,統統裝在相同的杯子裡。搖晃的時候用攝影機拍攝頁面晃動的程度,並測量頁面最高點雨最低點的高度差作為測量的參數。實驗結果並不令人意外,泡沫最高最厚的健力士啤酒液面晃動的程度最小,而黑咖啡基本上表面完全沒有泡沫,晃動程度最大。這跟我們一般的日常經驗完全一致。

透過測量,他們也發現以啤酒來說,液面晃動的程度與表面泡沫的厚度有關,泡沫越厚,晃動程度越小。儘管如此,只要有一小層泡沫,就可以大幅減低液面晃動的程度。他們還發現,當停止搖動時,液面晃動的情形會逐漸趨於靜止,這個過程就像物理裡面常見的阻尼震盪一樣。他們認為當液體晃動的時候,表面的泡沫會與杯子的表面發生摩擦,進而消耗掉大量的能量,因此液面會比較穩定,這也是最後趨於靜止時看起來像是阻尼震盪的原因。

這個研究對一些在不穩定的環境下要保持液面穩定的系統,有相當重要的應用。不過在日常生活中,如果你想喝咖啡又怕被服務生再端上來的過程中撒掉一大半,或許你可以考慮改點卡布其諾,通常上面會有厚厚的一層奶泡。根據這項研究,你這杯卡布其諾溢出的機會應該不會太高。

原始論文
Damping of liquid sloshing by foams Phys. Fluids 27, 022103 (2015)
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2014/11/24: Why does coffee spill more often than beer?

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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