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撰文 | JENNIFER OUELLETTE
翻译 | 魏书豪
审校 | 陶兆巍
番茄酱是最受欢迎的调味品之一，但从瓶子里挤出最后的几股酱时，往往会突然飞溅。本周早些时候，在印第安纳州印第安纳波利斯举行的美国物理学会流体动力学会议的新闻发布会上，来自牛津大学的卡勒姆·卡特尔（Callum Cuttle）说：“这很烦人，可能会尴尬，还会毁了衣服，但我们能解决这个问题吗？更重要的是，理解这种现象能帮助我们解决生活中的其他问题吗?”
根据卡特尔的说法，这两个问题的答案都是肯定的。他和牛津大学的同事克里斯·麦克明（Chris MacMinn）进行了一系列实验以确定问题的关键，并建立了番茄酱飞溅的理论模型。其中最有趣的发现是:更慢地挤压瓶子，把喷嘴的直径扩大一倍，就能防止飞溅。还有一个临界阈值，超过阈值后，番茄酱的流动会突然开始飞溅。他们撰写的一篇预印本论文已发布到arXiv，正在接受评审。
艾萨克·牛顿定义了他所认为的“理想液体”的性质。其中一个特性是黏度，它可以粗略定义为某一物质流动时受到的摩擦（阻）力。摩擦的产生是因为流动的液体本质上是一系列相互滑动的层。一层滑过另一层的速度越快，阻力就越大;滑动的速度越慢，阻力就越小。
但是并不是所有的液体都能用牛顿的理想液体解释。在牛顿的理想流体中，黏度在很大程度上受温度和压力的影响：液体就像水一样，即便有外力的作用（如搅拌或混合），也将继续流动。在非牛顿流体中，液体的黏度随着施加的应力而变化，从而跨越液体和固体行为之间的边界。物理学家喜欢称之为“剪切力”:搅拌一杯水产生剪切力，水被剪切开，但黏度保持不变。但是当施加剪切力时，非牛顿流体的黏度会改变。
番茄酱是一种非牛顿流体。血液、酸奶、肉汁、泥、布丁、馅饼馅料及盲鳗黏液都是非牛顿流体的例子。它们的流动特点并不完全相同，但都不符合牛顿对理想液体的定义。
例如，根据澳大利亚墨尔本大学的安东尼·斯提克兰德（Anthony Stickland）的解释，番茄酱是由悬浮在液体中的番茄固体粉末组成的，更像是一种“软固体”而不是液体。固体粉末连接在一起形成了一个连续的网络，人们必须克服这个网络的力量才能让番茄酱流动起来——通常是通过轻拍或重击瓶子。一旦发生这种情况，黏度就会下降，下降越多，番茄酱流动越快。亨氏公司的科学家已经确定番茄酱的最佳流速为每小时0.045 公里每小时或45米每小时。
当瓶子里只剩下一点番茄酱时，你需要更加用力地敲击，从而增加了酱汁飞溅的可能性。“当瓶中还剩一点酱时，里面大部分都是空气了。”卡特尔说。“所以当你挤压时，其实就是在压缩瓶子里的空气，这会产生压力，把番茄酱推出来。”喷嘴提供了一个黏性阻力来抵消番茄酱的黏性流动，它们之间的平衡关系决定了流速。随着瓶子越来越空，要挤压的番茄酱越来越少，黏度就会降低。液体的流出意味着瓶内空气膨胀的空间越来越大，随着时间的推移，驱动力逐渐减小。
为什么平滑流动突然变成飞溅？要理解的这个复杂的动力学，首先要简化这个问题。卡特尔和麦克明制作了一个番茄酱瓶的模型，将番茄酱注入注射器(基本上是毛细管)，然后以固定的压缩率注入不同量的空气(从0到4毫升)，以观察空气量的改变会如何影响流速以及番茄酱是否飞溅。为了更好地控制黏度和其他关键变量，他们用装满硅油的注射器重复了实验。
结论是：注射器注入1毫升或更多的空气就会产生飞溅。“这告诉我们，注射器或瓶子里需要一些空气来产生飞溅，并产生不稳定的气流，”卡特尔说。这构成了一个“酱汁飞溅”的临界阈值，阈值的大小取决于空气量、压缩率和喷嘴直径等因素，能让番茄酱从流畅的流动转变为飞溅。低于这个阈值，驱动力和液体流出是平衡的，所以流动是平稳的。超过阈值，驱动力比流出量下降更快。空气被过度压缩，就像一个被压缩的弹簧，最后一点番茄酱在突然喷涌而出。
卡特尔说:“番茄酱的飞溅与否可以归因于极其细微的差别，挤压地稍微用力一点，它可能就溅出来了，而不是慢慢流出来。”一个小窍门是，尽量慢一些挤压，从而降低空气被压缩的速度。扩大喷嘴的直径会更有帮助，因为喷嘴处的橡胶阀会加剧喷溅的可能性。诚然，这些阀门有助于避免泄漏，但也会迫使你施加压力，才能让番茄酱开始从瓶子里流出。卡特尔建议，当瓶子快空的时候，就把瓶盖打开，把最后一点番茄酱从更宽的瓶口倒出。
“这些做法是常识，不过现在有了一个精准的数学模型来提供理论支持，”Cuttle说。“气体推开液体是很多情况下都会发生的事情。”这包括捕获并储存二氧化碳的含水层，某些类型的火山爆发，还包括气胸的治疗。
原文链接：
https://arstechnica.com/science/2022/11/the-physics-of-keeping-those-last-bits-of-ketchup-from-splattering/
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