茶壺上的力學

中國的茶文化歷史悠久，飲茶自然少不了茶壺.提起茶壺，不少同學會聯想到物理老師講過的，或者在《十萬個為什么》里讀到的“連通器原理”和大氣壓的應用，本文就來談談茶壺在設計和制作中涉及到的相關力學知識.

1.在材料的選擇方面

制作茶壺的材料有瓷質、陶質、玻璃、鑄鐵及純銀等，其中又以陶質的紫砂泥為最佳.這是因為紫砂泥有以下特殊的物理屬性.（1）可塑性好.紫砂泥可以任意捶壓、拍打、擠壓、雕琢、鑲接，制作成任意大小各異的不同造型，制作時黏合性好，如壺嘴、壺把、壺底均可單獨加工后，再粘到壺身上加以雕琢并加工.（2）干燥收縮率小.紫砂陶從泥坯成型到燒成收縮8%左右，燒成溫度范圍較大、變形率小、強度大，制作過程中結構的變形可把握，因此紫砂壺的口蓋能做到嚴絲合縫、造型輪廓線條規矩、比例合理.（3）紫砂泥本身最大的特點，就是不需要加配其他黏性原料就能單獨成陶.成品陶在顯微鏡下就是周身布滿氣孔的團聚體；這些團聚體內部為閉口氣孔，而包在周圍的為開口氣孔.在燒制過程中，就因這種特殊結構的團聚體產生較大的收縮而生成一層斷斷續續的開口氣孔群，具有良好的透氣性；其冷熱急變機能也好，即便開水沖泡后，再加入冷水中也不炸裂.科學研究表明，紫砂壺確實有保持茶湯原味的功能，它能吸收茶汁，而且紫砂壺使用的年代越久，壺身色澤就愈加光潤古雅，泡出來的茶湯也就越醇郁芳馨，甚至在空壺里注入沸水都會有一股清淡的茶香.紫砂的這些獨特質地，使紫砂壺極適于沏茶，用它所沏的茶水，色香味俱全，配以其精美的藝術造型，使品茶達到完美的境界.

2.在器型設計方面

我們知道，茶壺一般由壺嘴、壺身、壺蓋和壺把組成.

根據茶壺壺身形態特征的不同可分為圓器和方器，圓器主要由不同方向和曲度的曲線構成的茶壺.骨肉勻稱、轉折圓潤、雋永耐看；方器則主要由長短不等的直線構成的茶壺，這種茶壺線面挺刮平整、輪廓分明，顯示出干凈利落、明快挺秀的陽剛之美.不僅如此，這樣的構造還能增加茶壺的容積，能提高茶壺在搬運過程中的耐擠壓性.

根據壺把造型的不同，常見的茶壺通常有側提壺，壺把成耳狀，在壺嘴對面；提梁壺，壺把在壺蓋上方成虹狀者；飛天壺，壺把在壺身一側上方、呈彩帶飛舞；握把壺，壺把如握柄，與壺身成直角；無把壺，無握把，手持壺身頭部倒茶.茶壺的壺把是我們倒茶時的著力點部位，它在茶壺的設計和應用中非常重要，壺把的設計是否巧妙合理，與我們手握茶壺時的受力作用點和茶壺注滿茶水時重心的位置相關.

根據壺底的不同造型又可分為捺底壺，茶壺底心捺成內凹狀，不另加足；釘足壺，茶壺底上有3顆外突的足；加底壺，茶壺底加一個圈足.茶壺的壺底的設計與制作直接影響茶壺擺放時的穩度以及是否容易發生側滑.在使用茶壺的過程中，如果觸摸茶壺的底部就會發現，茶壺壺底部位特別粗糙，那并不是制作者的大意，而是有意為之，因為這樣可以增大壺底與桌面間的摩擦，使茶壺不至于稍微受力就會在支承面上發生滑動造成茶水四溢，甚至損毀茶壺.

3.壓強知識在茶壺上的應用

（1）連通器原理

茶壺壺身與壺嘴可以分別看做一個容器，它們上端開口、底部連通，像這樣的容器叫做連通器.

我們可以借助于圖1來理解一下連通器的一個重要特點：圖1-（a）中左右兩個容器底部的中間有一閥門A，關閉閥門，往左右兩側的容器中分別注入高度不同的水，根據液體內部壓強的規律可知：在同種液體內部，液體壓強隨著深度的增加而增大，所以閥門A左側所受水的壓強p1大于右側所受水的壓強p2，如果此時打開閥門A，水自然會從左側的容器中從容器底部流向右側容器，直至兩側容器中水面相平，如圖1-（b）所示.此時即使我們將容器傾斜放置，兩側容器中的水面仍然會保持相平，如圖1-（c）所示.這樣的特點叫“連通器原理”，即當在連通器的各個容器中注入同種液體且液體靜止時，各容器中液面總會保持相平.

生活中的船閘、鍋爐水位計就運用了此原理，這一原理也是茶壺制作過程中的一個重要標準，它決定了茶壺在制作時壺嘴與壺身的高度關系——如果壺身比壺嘴高，那么茶壺里的水就不可能注滿到壺身；如果壺身比壺嘴低，那么壺身注滿時，水不會從壺嘴溢出，并且倒水的時候就容易出現水很難從壺嘴倒出，反而易從壺口處溢出的情況.因此，如果你留心觀察過，茶壺的壺身通常與壺嘴被制作成等高（如圖2所示）.

（2）大氣壓的應用

在使用茶壺沖泡茶葉時，為了減少混有黃曲霉菌等霉菌的空氣流入，相對推遲茶變質發餿的時間，長時間地保持茶的色香味，這就要求在制作茶壺時盡量使壺蓋與壺口緊密配合，但如果只注意使壺蓋與壺口密合，那么在向外倒茶時，隨著茶水的流出，壺內氣體體積變大，氣體壓強變小，此時外界大氣壓大于壺內氣壓，當小到一定程度時就會帶來“倒不出茶水”的窘境.那么制壺時是怎樣解決這一問題的呢？仔細觀察茶壺，細心的同學會發現茶壺蓋上留有小孔，這叫通氣孔（如圖2所示），有了這通氣孔，隨著茶水的流出，壺外空氣能從通氣孔及時補充進壺內，從而保持壺內外的大氣壓強相等，這樣壺內的水就會在重力作用下源源不斷地流下來.制作壺蓋上的通氣孔還有一定的考究呢，大小要合適，通氣孔要制成成喇叭形（內大外小），這樣通氣孔不會輕易被水氣糊住，倒茶時空氣也能及時地進入壺內.

日常生活中使用的許多物品在制作和應用的過程中都蘊含著一定的物理道理，只要我們處處留心，勤于思考，就一定能探究出其中的奧秘！