你是否經常遇到這樣的惱人現象：無論多麽小心，從茶壺裏倒出來的水總是不能按照預計的軌跡進入茶杯，而是順著壺嘴、貼著壺壁，流到桌子上?每當這時，你是否也曾埋怨茶壺品質不好或者自己不夠小心?其實，這還真不能怪茶壺或者倒茶人，這是一種非常常見的物理現象。
迷霧重重的「茶壺效應」
1965年，以色列物理學家馬奎斯·雷納做了一系列「簡單」的實驗：用不同的流速將茶水從茶壺中倒出來，觀察後續現象。雷納按照從小到大的速度倒茶水，首先是非常慢的速度，依次加大到手動操作的最快速度。
依據生活經驗，我們能想象這些不同速度下雷納能接到的茶水量：茶水流速很小時，幾乎全部茶水都會沿著壺嘴和外壁流到茶壺底部，杯裏滴水不見;隨著茶水流速的增加，流出的水變成了兩部份，一部份茶水開始擺脫壺壁的吸引，呈拋物線狀流到茶杯中，另一部份仍然沿著壺壁流到壺底;當流速足夠高時，水流才不再彎向壺身，最終能擺脫茶壺，註入茶杯，可是此時壺嘴邊緣仍有水滴溢位，茶杯無法接到所有的水。
雷納將這種現象稱為「茶壺效應」，指的是液體在倒得太慢時，會順著壺的一側滴落的現象。液體速度越快，擁有的動能越大，越能保持出水時的運動方向，但為什麽液體流速慢時就會被壺嘴「吸引」過去呢?當時，雷納及同行們都認為這是表面張力和空氣壓力「拔河」的結果，在較低的流速下，液體的表面張力較大，從壺嘴流出來時會附著在壺嘴和壺壁上，隨著流速的增加，液體表面張力小於周圍的氣壓，後者將茶水推到壺嘴外面，因此水流流動很順暢，附著的水滴變少。
但是，隨著研究的深入，科學家們發現，用表面張力來解釋「茶壺效應」並不全面。許多研究者找出了更多表面張力以外的與茶壺效應相關的因素，包括液體的流速、茶壺嘴邊緣的曲率半徑、茶壺的材質等，透過調整這些因素，能夠避免茶壺效應。這些因素意味著茶壺效應不僅與液體的表面張力有關，背後還藏著更多的秘密，該如何解開謎團呢?
茶壺效應的「視覺化」
多年以來，物理學家一直在研究這一現象背後的原理，直到最近，荷蘭阿姆斯特丹大學和奧地利維也納技術大學的一個聯合科研團隊才成功地從理論上完全理解了這種效應發生的原因，他們認為，是慣性力和毛細管力(毛細管效應指的是在毛細管內部流體能夠不借助外力甚至克服重力而流動的現象，毛細管力是液體表面張力和液體分子與固體分子之間的粘合力的合力)的復雜交互作用導致了茶壺效應。
「茶壺效應」雖然是一個非常常見且看似簡單的現象，但要定量地解釋它是非常困難的，因此在實驗過程中，研究人員還用高速攝影機拍攝了以不同速度倒茶的過程，使他們能夠確認「從量變到質變」的過程。研究人員豎立了一系列直徑為3公釐的垂直玻璃圓柱，並向它們噴射染色水，對液體在不同流速下的表現進行錄像。
在實驗中，研究人員首先在圓柱的一邊以30°傾角向圓柱的另一側噴射直徑為0.5公釐的毛細水流。與日常生活一致，隨著水流的初始流速變化，它們附著在圓柱表面並下落的路徑有所不同：在超過1毫升/秒的高流速下，圓柱體對毛細水流的直線軌跡幾乎沒有影響;隨著將流速降低，水流開始慢慢傾向於繞著圓柱體發生偏斜;當流速被降到大約0.5毫升/秒時，水流從簡單的偏斜變成了盤繞，幾乎完全附著在了圓柱體上。
之後，研究人員還用不同直徑的玻璃管重復了這一實驗，以及用由特氟龍(不粘鍋的塗層，一種穩定的低黏性材料)制成的圓柱體進行重復實驗。他們發現，無論在何種情況下，都能觀察到相同的行為：一旦射流完全粘在固體上，就會形成一個液體螺旋，它的具體形狀取決於射流的初始速度和幾何角度。
水流從茶壺中被倒出來時，水滴最終會匯聚在壺嘴下邊的尖銳邊緣。水流的流速決定了這些水滴的大小，在最低的流速下，水滴可能大到足以將整個水流拉出邊緣，茶水就會沿著壺壁流下來。其實質是毛細管力戰勝了慣性力，慣性力確保流動的液體傾向於保持其原有方向，毛細管力減緩了壺嘴處液體的流速，形成更大的水滴來對抗慣性力。
研究人員還考慮了重力在茶壺效應中的作用程度，但得出的結論是，與所涉及的其他力量相比，它並沒有決定性的作用。他們指出，重力確實決定了流體噴流的方向，但它的強度對該效應的發展並不重要。這意味著在月球上仍然會有茶壺效應，但如果你在國際太空站上倒茶就不會溢位。
當然，此次實驗結果也解釋了，以前發現的其他因素是如何對茶壺效應產生作用的。其中，最關鍵的是壺嘴材料的潤濕性，也就是液體潤濕固體表面的能力。玻璃、陶瓷這類材料之所以容易被水粘附，是因為上面有許多細小的孔道會產生毛細作用，牽拉液體，增大液體的毛細管力，使液體順著壺嘴流下。因此，在茶壺表面塗上類似荷葉結構的超疏水材料(這些材料已經被運用到雨衣、潛水服和沖鋒衣等具有防水需求的衣物上)，降低其潤濕性，便能消除茶壺效應。另外，液體表面與茶壺壁之間的接觸角越小，液體的脫離速度就越慢，也即水流掛壁越多，把壺嘴邊緣設計得薄而銳利，有助於減輕茶壺效應，比如金屬茶壺就不容易漏水。
除了日常的倒水，一些如澆註、印刷和擠壓等工業過程也會遭遇這種「茶壺效應」，一旦流速過慢，液體就會出現上述的「粘」在容器邊緣的現象，既浪費原料也傷害儀器。研究人員開發的模型能成功地預測出水流盤繞的閾值流動條件，或授權以成為幫助茶壺制造商和印表機制造商解決這種惱人的「茶壺效應」的重要工具。
