虽然意式浓缩咖啡吸引了最多的关注，但宾夕法尼亚大学的物理学家们也研究了所谓的“手冲”咖啡背后的物理原理。
手冲咖啡是将热水倒在漏斗形锥体过滤器中的咖啡渣上，让其渗透并滴入下面的杯子中。
根据他们在《流体物理学》杂志上发表的新论文，诀窍是将水从尽可能高的地方倒出，不要让水流在与咖啡渣接触时分散。
许多变量都会影响一杯热气腾腾的浓缩咖啡的质量，包括冲泡过程中所谓的“通道”，即水不会均匀地渗透到咖啡渣中，而是以各种优先路径分支。这大大降低了萃取率 (EY)——溶解在最终饮料中的咖啡分数——从而降低了最终冲泡的质量。这反过来又取决于液体渗透咖啡渣时控制水流和压力。
之前很少有人研究怎么让普通手冲咖啡泡得更浓。简单来说，手冲咖啡就三样东西：咖啡粉、匀速流下的水，还有放滤纸的漏斗。咖啡好不好喝，关键看用了多少咖啡粉、倒水时水柱的粗细、壶嘴离杯子有多高、水流得快还是慢——这些都会改变水和咖啡粉的混合效果。想冲出更香浓的咖啡，就得让水和咖啡粉充分搅拌均匀。
用物理老师的话讲，这其实就是一道水柱冲进咖啡粉里的复杂物理题。咖啡粉堆就像小山坡会塌方（想象倒沙子时沙堆突然滑坡的样子）。虽然科学家之前研究过水柱冲击和颗粒滑坡，但论文作者指出："几乎没人研究过当水柱砸在既有液体又有咖啡粉的表面时会发生什么"，而且"用肉眼直接观察咖啡粉和水的混合过程的研究也非常少"。
为了搞明白这个问题，科学家做了几个实验：先在实验室正经手冲咖啡，用高清相机拍咖啡粉分析颗粒大小，再测量咖啡里到底溶出了多少物质。他们还用透明硅胶粒假装咖啡粉，拿60度斜角的玻璃漏斗当滤杯，用激光照着，重新模拟冲咖啡过程。这次用高速摄像机拍下了硅胶粒和水柱"打架"的慢动作。
科学家通过实验发现，冲咖啡时最好慢慢倒热水，让咖啡粉多泡一会儿。但如果水倒得太慢，水流会黏在壶嘴边上（就像倒茶时茶水顺着茶壶嘴往下流那样），导致咖啡粉沉在底部搅不匀，咖啡味道反而变淡。"如果水流像细线一样，很容易断成一滴一滴的，"论文作者玛戈特·杨解释，"冲手冲咖啡最怕这样，因为水滴没法把咖啡粉冲开拌匀。"
所以需要把壶举高一点倒水。科学家说，这样能利用重力让水更有冲击力，把咖啡粉冲得上下翻滚。但也不能太高——超过滤杯50厘米（大约20英寸）的话，水柱就会散开。实验证明，那种细长壶嘴的咖啡壶最容易控制合适高度。接下来科学家还想研究咖啡粉磨得粗一点或细一点会怎么样。
这个研究特别重要，因为现在咖啡越来越难种了。论文另一位作者阿诺德·马蒂森告诉《新科学家》："气候变化让咖啡豆产量下降，以后咖啡可能会更贵。我们想看看能不能用更少的咖啡粉冲出同样浓的咖啡，这样就能节省咖啡豆。"
其实这套原理不光能用来冲咖啡。科学家说，水柱冲击颗粒的现象还关系到：瀑布冲垮河岸、污水处理厂用高压水喷气泡分解垃圾、甚至大坝底部被水流慢慢掏空。"虽然大坝比咖啡杯大得多，但水冲泥沙的原理是相通的。如果我们能降低大坝泄洪时的高度，说不定能减缓坝体侵蚀，让大坝用得更久。"他们在论文里这样写道。
流体物理学，2025 年。DOI：10.1063/5.0257924（关于 DOI）。