科学现场调查:流体卷绳效应

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2014/03/1712:12:03 评论 3,306 views

流体卷绳效应,这个听起来很是高端的名字,其实在我们喝蜂蜜的时候经常会遇到,因为蜂蜜比较粘稠。
而面对这样的状况我们并没有觉得有什么不一样———这就是普通人与科学家的区别,科学家眼中,一切都是诡异的。
比如说,至今这种流体卷绳效应都没有一个合理的解释
来源: 科学美国人中文版

当你用勺子舀出蜂蜜时,蜂蜜缓慢下落会形成一股向下流动的细流,堆积成一个螺旋状的结构。我们生活中这个常见的现象被命名为“液体卷绳效应”,物理学家至今未弄明白其中的物理机制。

本文的三位作者致力于研究“液体卷绳效应”,用硅油设计了一个可控版的“早餐桌上的实验”,硅油比蜂蜜的粘度变化范围更宽,粘度是内部摩擦力抵抗流动变形的能力,粘度越大,流体自由流动就越困难。通过实验设备可以控制具体的流动条件(比如流体下落的速率和高度),并观察这些条件对盘绕频率 (液体流盘绕一圈的快慢)的影响。

一开始,我们(三位作者)认为通过改变实验条件,只会出现两种情况——出现卷绳效应,或不出现卷绳效应。但实际结果却非常丰富多变:比如,流动速率较低时,流体下落的高度越高,盘绕频率越低;流动速率较高时,随着高度的增加,盘绕频率也随之迅速升高;当下落高度固定在某个特定值时,流体卷绳会在两个不同的盘绕频率间随机切换。

对于流体液柱上的任何一段,主要受到两种力的作用:向下的重力和流体内部的粘滞力(或摩擦力)。液柱有三种形变方式:拉伸、弯曲和扭曲。对于每一种形变,也都有一种与之对抗的粘滞力。液柱的形状取决于所有这些力的相对大小以及流体的惯性(即质量乘以加速度)。出人意料的是,对一般流体的流动影响巨大的表面张力,在这里的影响微不足道。

经过仔细研究,我们发现在高粘性流体里,一共可能出现四种形态各异的盘绕模式,每一种模式都对应不同的受力平衡条件。(见"粘性流体会出现4种盘绕形态")

气泡螺旋波纹

研究了常见盘绕类型后,我们以为上述研究已经囊括了所有的液体卷绳现象——但我们错了。进一步的试探性实验还发现了一些非同寻常的新现象。

首先是一种美丽的气泡螺旋波纹,在液体卷绳向四周散开时形成的一层薄薄的液面上,会出现这种现象。产生的原因是,连续产生的盘卷结构中,相邻的两环会稍微错开一些,将小气泡锁在中间从而产生这种螺旋。但这种现象只在很窄的粘度、流动速率和下落高度范围内才会出现。

我们还用粘度低得多的硅油进行了实验。结果发现,它们的盘绕频率最高可达每秒2 000圈,并且会以更加复杂的方式来盘绕甚至“折叠”(见“更为复杂的盘绕形态”)。如果没有外界干扰,它们会一直保持一种盘绕状态,但如果我们用指节大力敲击一些实验仪器,流体可能会马上切换到另一种状态。

在上述所有实验中,流体下方的界面都是静止不动的。但如果流体与界面之间存在相对运动又会出现一些新奇的现象。我在剑桥大学的几名同事曾使用一种名为“流体缝纫机”的设备

进行了研究,机器会通过喷口挤出粘性液体,落在下方匀速行进的水平传送带上。当传送带行进速度较快时,流体细线在传送带上留下一条笔直的迹线。但随着速度减慢,会出现一些不稳定的复杂图案,比如曲折蜿蜒的图案,交替的圆圈图案,双螺旋甚至W形图案。

粘性流体会出现4种盘绕形态

根据重力、惯性力和摩擦力三种力之间不同的平衡情况,下落的粘性流体会出现4种不同的盘绕形态。

a 粘性模式。当下落高度较低时——4~8毫米——“液绳”好像缓慢挤出的牙膏。流体盘绕的速度如此之慢,以至于相比于粘滞力,重力和惯性力都可以忽略不计。

b 重力模式。当高度在1.5~7厘米之间时,重力开始成为影响因素。流体卷绳由两部分组成:上方较长的尾部,以及下方较短的盘卷部分。在尾部,重力与抵抗拉伸的粘滞力相平衡。在盘卷部分,重力则与抵抗弯曲的粘滞力相平衡。尾部受力平衡,使得长尾部分看起来好像一条被底部螺旋部分斜拉着的锁链。

c 钟摆模式。当高度在7~12厘米之间时,尾部会像钟摆一样前后摆动。在大部分高度范围内,尾部无法自由摆动,因为它实际上是随着底部流体细流的盘绕而摆动的。但在某些高度,盘绕频率与尾部的自然摆动频率恰好相符,在这种正反馈情况下会发生共振。于是,尾部开始绕一个大圆旋转。

d 惯性模式。当高度大于15厘米时,尾部几乎完全垂直,因为底部的螺旋结构无法再给它施加足够大的侧向拉力。在螺旋结构内部,抵抗弯曲的粘滞力几乎完全被惯性力平衡,重力只扮演次要角色。

流动性更强的液体会出现更复杂的盘绕形态

(这得试多少次才能搞出这么一张奇异的图片)

相比于粘稠的流体,流动性更强的液体可不仅仅只会形成盘绕结构而已。

下面这些例子里,作者使用了粘度在400~6 000 cSt的硅油——比蜂蜜更稀,但比水更稠。

a 滞留。当流体粘度较低、下落高度较低、流动速率较高时,流体垂直下落,在金属板上向四周均匀扩散。生活中常见的流体,比如水和橄榄油,也会这样。但如果条件恰当,这些流体也可以形成盘绕结构。比如,让橄榄油从10厘米的高处以每40分钟1毫升的速度向下滴落,卷绳现象就会出现。

b 旋转折叠。“液绳”会周期性的自我折叠。同时,整个折叠结构会绕一垂直轴旋转,产生某种扭曲效果。

c 超缠绕。超缠绕是形容缠在一起的电话线的一种专业说法,指在电话线已有紧密缠绕的结构上进行大的二次缠绕。对流体而言,下落的液流堆积成一个中空的圆柱结构,构成主盘卷,而圆柱结构还从整体上再次进行二次盘卷。二次盘卷的速度比较缓慢,只有主盘卷的十分之一。

气泡螺旋波纹

一次实验里,我们使用了高粘度(30 000 cSt)硅油,设置较高的流动速率(每秒0.14毫升)和较低的下落高度(3~4厘米),结果偶然得到了这个总是有5条旋臂的星系状结构。之所以会形成这种结构,是因为卷绳的中心并不固定,而是沿一个圆形轨道转动。因此,卷绳螺旋部分相邻的两环会互相挤压,在交叉区域形成许多气泡。交叉点的位置缓慢沿圆形轨道移动,与此同时,气泡随着向四周扩散的流体也向各个方向散开。在这两种运动的共同作用下,形成了气泡螺旋波纹。

(本文节选自《环球科学》2014年3月刊《流体的卷绳效应》一文,撰文:尼尔·M·里布(NeilM.Ribe)、迈赫迪·哈比比(MehdiHabibi)、丹尼尔·波恩(DanielBonn),翻译:曹晨巍、李诗一,审校:李启兵,编者有删改)

*本文来自《环球科学》2014年第3期,杂志可在各大报亭购阅,读者可关注环球科学微信号(huanqiukexue)获取推送信息,也可免费下载环球科学iPad客户端内购阅读全文。*

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