เหตุใดใบชาที่คนในแก้วจึงกองอยู่กลางก้นแก้ว

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

ช้อนเพิ่งหยุดหมุน แต่น้ำชาในแก้วยังวนเป็นวงอยู่พักหนึ่ง เศษใบชาที่หนักกว่าน้ำค่อย ๆ จมลง แล้วภาพที่เห็นกลับชวนขัดใจ: แทนที่จะกระจายไปอัดแน่นตามขอบแก้วเหมือนของที่ถูกเหวี่ยง ใบชากลับไปรวมเป็นกองเล็ก ๆ ตรงกลางก้นแก้ว

ถ้ามองเฉพาะน้ำที่หมุนเร็ว แรงหนีศูนย์กลางย่อมผลักน้ำออกสู่ด้านนอก จึงดูเหมือนใบชาควรถูกพาไปทางขอบด้วย แต่ในแก้วจริง น้ำไม่ได้หมุนเร็วเท่ากันทุกชั้น ก้นแก้วและผนังแก้วสร้างแรงเสียดทานดึงน้ำชั้นที่ติดพื้นให้ช้าลง

จุดเปลี่ยนอยู่ตรงความเร็วที่ต่างกันนี้เอง น้ำชั้นบนที่หมุนเร็วกว่าจะถูกผลักออกด้านข้างมากกว่า ขณะที่น้ำชั้นล่างหมุนช้ากว่า จึงมีแรงผลักออกน้อยกว่า ความต่างของแรงทำให้น้ำเกิดการไหลวนอีกชุดหนึ่งซ้อนอยู่ภายในแก้ว นักฟิสิกส์เรียกการไหลลักษณะนี้ว่า กระแสการไหลทุติยภูมิ

เส้นทางของมันคล้ายวงล้อเล็ก ๆ ในแนวตั้ง: น้ำส่วนบนไหลออกไปหาผนังแก้ว น้ำบริเวณขอบถูกพาลงสู่ก้นแก้ว แล้วน้ำชั้นล่างไหลย้อนจากขอบ เข้าหาศูนย์กลาง ก่อนยกตัวกลับขึ้นด้านใน พอใบชาอยู่ใกล้ก้นแก้ว มันจึงโดนกระแสน้ำช่วงล่างพัดเข้ากลางทีละน้อย แรงนี้มีผลต่อใบชามากกว่าแรงผลักออกที่หลายคนนึกถึง

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อธิบายการทดลองในถ้วยชานี้ไว้ในบทความปี 1926 ระหว่างอธิบายการไหลในแม่น้ำคดเคี้ยว เขาระบุว่าแรงเสียดทานใกล้ก้นภาชนะทำให้ความเร็วเชิงมุมลดลง จนเกิดการไหลเวียนที่พัดใบชาเข้าสู่กลางก้นถ้วย ใบชาจึงทำหน้าที่เหมือนผงติดตามการไหล เผยให้เห็นกระแสน้ำที่มองด้วยตาเปล่าแทบไม่ออก

หลักเดียวกันไม่ได้ขึ้นกับว่าเป็นชาเท่านั้น เศษผง กากกาแฟ หรืออนุภาคหนักที่จมอยู่ก้นภาชนะทรงกลมก็แสดงพฤติกรรมคล้ายกันได้ หากของเหลวถูกคนให้หมุนและมีแรงเสียดทานจากพื้นผิวมากพอ ขนาด รูปทรง และความเร็วในการคนมีผลต่อความชัดของกองที่เกิดขึ้น

เพราะฉะนั้นกองใบชาตรงกลางไม่ใช่การฝืนกฎแรงเหวี่ยง แต่เป็นผลจากกฎเดิมที่ทำงานในน้ำหลายชั้นพร้อมกัน: ชั้นบนถูกพาออกด้านนอก ส่วนชั้นล่างที่ช้ากว่าไหลกลับเข้าแกนกลาง แล้วกวาดใบชามากองไว้ตรงนั้นพอดี