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      數(shù)百萬個谷物碗中都會發(fā)生一種有趣的流體動力學(xué)現(xiàn)象
      
			
      
				2019-12-20 10:42:34
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      每天早晨，數(shù)百萬個谷物碗中都會發(fā)生一種有趣的流體動力學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)僅有少量谷物谷物漂浮在牛奶頂部時，它們往往會聚集在碗的中間或邊緣附近，而不是分散在整個表面上。
      

      現(xiàn)在，布朗大學(xué)的一個研究人員小組已經(jīng)開發(fā)出一種方法來測量這種聚類所涉及的力。研究人員說，這是第一次以毫米/厘米為單位對這些力進行實驗測量。這項工作的意義遠(yuǎn)不止于谷物碗，其結(jié)果可能對指導(dǎo)微型機器的自組裝或設(shè)計在水中和周圍運行的微型機器人很有用。
      

      數(shù)百萬個谷物碗中都會發(fā)生一種有趣的流體動力學(xué)現(xiàn)象
      

      布朗的本科生，描述該工作的論文的主要作者伊恩·霍說：“已經(jīng)有很多模型描述這種Cheerios效應(yīng)，但這都是理論上的。” “盡管這是我們每天都會看到的事情，并且對于諸如自組裝之類的事情很重要，但沒人能進行如此規(guī)模的實驗測量來驗證這些模型。這就是我們能夠做到的。”
      

      該研究發(fā)表在《物理評論快報》上。何的合著者是布朗的訪問學(xué)者朱塞佩·普契(Giuseppe Pucci)和布朗工程學(xué)院的助理教授丹尼爾·哈里斯(Daniel Harris)。
      

      Cheerios效應(yīng)是由重力和表面張力的相互作用引起的 - 液體表面上的分子傾向于粘在一起，從而在整個表面上形成薄膜。像Cheerios這樣的小物體不夠重，無法破壞牛奶的表面張力，因此它們會漂浮。但是，它們的重量確實會在表面膜上產(chǎn)生小凹痕。當(dāng)一個Cheerio凹痕與另一個凹痕足夠近時，它們相互陷入，合并凹痕，最終在牛奶表面形成簇。
      

      為了測試Cheerios以及Cheerio尺寸和重量范圍內(nèi)的其他物體之間相互吸引的能力，研究人員使用了一種定制設(shè)備，該設(shè)備使用磁力來測量力。實驗涉及兩個Cheerio大小的塑料盤，其中一個包含一個小磁鐵，漂浮在一個小水桶中。浴缸周圍的電線圈會產(chǎn)生磁場，當(dāng)另一個磁盤固定在位時，磁場會將磁化磁盤拉開。通過測量磁盤開始相互遠(yuǎn)離的瞬間的磁場強度，研究人員可以確定吸引力的大小。
      

      哈里斯說：“ 磁場為我們提供了一種非機械的方法來向這些物體施加力。” “這很重要，因為我們正在測量的力類似于蚊子的重量，因此，如果我們物理接觸這些身體，將會干擾它們的移動方式。”
      

      實驗表明，當(dāng)磁盤非?？拷胖脮r，傳統(tǒng)的相互作用數(shù)學(xué)模型實際上會低估吸引力的強度。最初，研究人員不確定發(fā)生了什么，直到他們注意到隨著兩個磁盤的靠近，它們開始彼此傾斜。傾斜導(dǎo)致磁盤將更硬地推向液體表面，這又增加了液體推回的力。額外的推動會導(dǎo)致磁盤之間的吸引力稍微增加。
      

      哈里斯說：“我們意識到，我們的模型還有一個不滿足的額外條件，那就是這種傾斜。” “當(dāng)我們在模型中添加一種成分時，我們會達成更好的共識。這就是在理論和實驗之間來回轉(zhuǎn)換的價值。”
      

      研究人員說，這些發(fā)現(xiàn)可能對微型機器和機器人的設(shè)計有用。例如，人們感興趣的是使用像蜘蛛一樣的小型機器人，它們可以在水面掠過以進行環(huán)境監(jiān)測。這項工作揭示了這些機器人會遇到的各種力。
      

      哈里斯說：“如果有多臺小型機器到處移動，或者有兩條或更多條機器人的腿，則需要知道它們相互作用的力。” “這是一個有趣的研究領(lǐng)域，我們可以為此做出新的貢獻這一事實令人興奮。”
      
			

			
        
      
			
      
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