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数百万个谷物碗中都会发生一种有趣的流体动力学现象

2019-12-20 10:42:34 • 来源：

每天早晨，数百万个谷物碗中都会发生一种有趣的流体动力学现象。当仅有少量谷物谷物漂浮在牛奶顶部时，它们往往会聚集在碗的中间或边缘附近，而不是分散在整个表面上。

现在，布朗大学的一个研究人员小组已经开发出一种方法来测量这种聚类所涉及的力。研究人员说，这是第一次以毫米/厘米为单位对这些力进行实验测量。这项工作的意义远不止于谷物碗，其结果可能对指导微型机器的自组装或设计在水中和周围运行的微型机器人很有用。

数百万个谷物碗中都会发生一种有趣的流体动力学现象

布朗的本科生，描述该工作的论文的主要作者伊恩·霍说：“已经有很多模型描述这种Cheerios效应，但这都是理论上的。” “尽管这是我们每天都会看到的事情，并且对于诸如自组装之类的事情很重要，但没人能进行如此规模的实验测量来验证这些模型。这就是我们能够做到的。”

该研究发表在《物理评论快报》上。何的合著者是布朗的访问学者朱塞佩·普契(Giuseppe Pucci)和布朗工程学院的助理教授丹尼尔·哈里斯(Daniel Harris)。

Cheerios效应是由重力和表面张力的相互作用引起的 - 液体表面上的分子倾向于粘在一起，从而在整个表面上形成薄膜。像Cheerios这样的小物体不够重，无法破坏牛奶的表面张力，因此它们会漂浮。但是，它们的重量确实会在表面膜上产生小凹痕。当一个Cheerio凹痕与另一个凹痕足够近时，它们相互陷入，合并凹痕，最终在牛奶表面形成簇。

为了测试Cheerios以及Cheerio尺寸和重量范围内的其他物体之间相互吸引的能力，研究人员使用了一种定制设备，该设备使用磁力来测量力。实验涉及两个Cheerio大小的塑料盘，其中一个包含一个小磁铁，漂浮在一个小水桶中。浴缸周围的电线圈会产生磁场，当另一个磁盘固定在位时，磁场会将磁化磁盘拉开。通过测量磁盘开始相互远离的瞬间的磁场强度，研究人员可以确定吸引力的大小。

哈里斯说：“ 磁场为我们提供了一种非机械的方法来向这些物体施加力。” “这很重要，因为我们正在测量的力类似于蚊子的重量，因此，如果我们物理接触这些身体，将会干扰它们的移动方式。”

实验表明，当磁盘非常靠近放置时，传统的相互作用数学模型实际上会低估吸引力的强度。最初，研究人员不确定发生了什么，直到他们注意到随着两个磁盘的靠近，它们开始彼此倾斜。倾斜导致磁盘将更硬地推向液体表面，这又增加了液体推回的力。额外的推动会导致磁盘之间的吸引力稍微增加。

哈里斯说：“我们意识到，我们的模型还有一个不满足的额外条件，那就是这种倾斜。” “当我们在模型中添加一种成分时，我们会达成更好的共识。这就是在理论和实验之间来回转换的价值。”

研究人员说，这些发现可能对微型机器和机器人的设计有用。例如，人们感兴趣的是使用像蜘蛛一样的小型机器人，它们可以在水面掠过以进行环境监测。这项工作揭示了这些机器人会遇到的各种力。

哈里斯说：“如果有多台小型机器到处移动，或者有两条或更多条机器人的腿，则需要知道它们相互作用的力。” “这是一个有趣的研究领域，我们可以为此做出新的贡献这一事实令人兴奋。”

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