网红脏脏茶的招牌虎纹，其实是有140年历史的经典物理现象 | 科学DIY_风闻

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网红奶茶脏脏茶为什么会有这么奇特的“虎纹”？

其实，这种虎纹，和蘑菇云的原理是一样的哦，这是一个有近140年历史的经典物理现象。一起来看看怎么在家制造它们。

关键概念

瑞利-泰勒不稳定性

材料和操作

水

食用色素

蜂蜜，或者糖浆

1 准备一杯白开水，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 像这样把蜂蜜水扣在白开水杯上面，然后拉开塑料片，观察两种液体的混合。

@Nicole Sharp

4 其实在红茶或者咖啡里加入牛奶时也可以观察到类似的现象，但是速度比较快，人眼很难看清。

如果你没有实验材料，可以看一下剑桥大学物理系的 Megan S. Davies Wykes 和 Stuart B. Dalziel 做的，非常漂亮。

分隔不同密度液体的隔板被拉开后，两种液体的界面交融时的现象。

原理

我们观察到的现象，叫做瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability，又称 RT 不稳定）。瑞利-泰勒不稳定性是描述两种密度不同的流体的界面动态的物理现象。

这个现象最开始是在1880年，由英国物理学家、诺奖获得者、第三代瑞利男爵在研究卷云时发现的。后来在1950年，英国物理学家杰弗里·泰勒 (G. I. Taylor)对它进行了进一步的拓展，他发现加速低密度的液体时，低密度液体也会以类似的形式和高密度液体混合。

瑞利-泰勒不稳定性

@Megan S. Davies Wykes & Stuart B. Dalziel 

一般来说，当密度更小的流体在密度更大的流体下方时，由于重力加速度的作用，就会发生瑞利-泰勒不稳定性。地球上处处都可以看到瑞利-泰勒不稳定性，比如火山爆发或核弹产生的蘑菇云，还有脏脏茶的花纹。

两种流体的界面长出了类似手指或蘑菇一样的东西，就是瑞利-泰勒不稳定性正在发生的证据。

这种“手指”的形态大致由两种流体的密度差——阿特伍德数决定（阿特伍德数等于两个流体密度的差除以密度的和）。

在水里滴入密度较大的颜料，就会产生细长的手指图案，这就是瑞利-泰勒不稳定性的例子。

@James Riordon, AIP

阿特伍德数接近0的时候，瑞利-泰勒不稳定性的表现形式是细长的鬼爪（上图）；阿特伍德数接近1的时候，密度更小的流体穿越密度更大的流体时就会变成蘑菇云的形态。

所以说呢，脏脏茶和蘑菇云的阿特伍德数接近1（蘑菇云里是密度比较低的气体）。

但是你肯定会有疑问，既然普通奶茶和脏脏茶都会产生瑞利-泰勒不稳定性，那么脏脏茶为什么比普通奶茶更持久呢？

其实，这是因为脏脏茶用了黏度远大于茶水的黑糖，因此雷诺数比较小，不稳定性的增长比较慢，能够减少湍流。用人话说就是，黏糊糊的黑糖放慢了瑞利-泰勒不稳定性的动作。

换句话说，你花在脏脏茶上的溢价，其实是为了观赏瑞利-泰勒不稳定性。

要观赏瑞利-泰勒不稳定性不需要盯着奶茶嘛。在宇宙中也可以观察到巨型的瑞利-泰勒不稳定性哦，比如太阳的日冕、蟹状星云。

蟹状星云的形态是磁流体瑞利-泰勒不稳定性的结果

@ESO

2000年发表在《科学》上的一项研究显示，海洋噪声的主要来源之一——枪虾还是运用瑞利-泰勒不稳定性的高手。

枪虾

它们先是用鳌制造气泡，这个气泡继而因为瑞利-泰勒不稳定性而破裂，发出类似打枪的巨大噪音，枪虾的名字就是这么来的。

枪虾利用瑞利-泰勒不稳定性打枪

对了，煮火锅的时候，汤泛起来的花纹并不是瑞利-泰勒不稳定性产生的，而是瑞利-贝纳德对流（Rayleigh–Bénard convection）的例子。

瑞利-贝纳德对流的图案，叫做贝纳德原胞（Bénard cell）。

贝纳德原胞

@Jens Niemeyer

当流体下方被加热时，就会产生瑞利-贝纳德对流，以及贝纳德原胞这种图案。瑞利-贝纳德对流的原理是，下方被加热的液体密度小，上方较冷的液体密度大，所以产生了不稳定性。

瑞利-泰勒不稳定性和瑞利-贝纳德对流是流体力学的两个基本模型，是分别可以用于在喝奶茶，吃火锅时下饭的知识。

今天吃什么好呢？

一份鸳鸯贝纳德原胞锅，配一杯瑞利-泰勒不稳定性溶液吧！