反重力+反浮力實驗！法國科學家使液體懸空，小船漂在下表面

2020-09-04 澎湃新聞

澎湃新聞記者 虞涵棋

一層矽油在容器中懸空，液體中的空氣氣泡不是上升反而下沉，兩艘模型小船同時漂浮在液體的上表面和下表面……

看到這幅奇景，牛頓和阿基米德的棺材板是不是壓不住了？

根據9月2日晚間發表在《自然》（Nature）期刊上的一篇論文，巴黎文理研究大學的科學家們使用一種簡單技巧就完成了這項反直覺的把戲：垂直振動。

輕重倒置

懸空液體並非絕無可能，在表面積有限的細管中，我們可以欣賞到由毛細管力對抗重力的畫面。

但對於攤開成一層的液體，根據常識我們知道，矽油液體的密度大於空氣，正常情況下不可能懸浮在空中。

其實，將大密度的流體置於小密度的流體層上，會發生一種在流體力學上稱作「瑞利-泰勒不穩定性」的現象，在重力加速度的作用下，重流體往往下沉為釘子狀，而輕流體則呈現氣泡狀上升。如果對兩層流體施加其他方向上的加速度，結果也相同。

這種不穩定性在一些天體物理過程和工業領域（例如慣性約束聚變、內燃機燃燒等）中都扮演了重要角色。

此前，已經有人提出幾種可以將「瑞利-泰勒不穩定性」穩定下來的方法，比如溫度階梯、電磁場、旋轉運動或垂直振動。

對垂直振動法而言，隨著接觸面積的增加，振動的幅度必須相應提高以保持穩定，但不能超過某個會觸發另一種不穩定性——「法拉第不穩定性」的閾值。這個閾值同時受到流體粘度的影響，粘度越大，閾值就越高。

反常」現象

為了提高法拉第不穩定性閾值，法國研究團隊選擇了高粘度的矽油和甘油。它們將液體注入由有機玻璃製作的容器中，接著以一定的頻率和振幅垂直振動容器，將空氣注入容器底部，直到液體開始懸浮。

他們首先證明，只要垂直振動的幅度夠大，任何體積的液體都可以在容器中懸空。實驗使用的液體達到了半升，寬度為20釐米。調節適當的振動參數，液體下方的空氣層被激發共振，扮演著類似於彈簧的角色，但又不至於觸發法拉第不穩定性，液體則成了彈簧上方的負載。

這種方法對於懸空的液體層數也沒有限制，可以一層空氣、一層液體的方式疊加起來。

除了「反重力」，研究團隊發現垂直振動會導致其他一些「反浮力」現象。用針管注入空氣後，液體下部的氣泡會下沉而非上升，類似的現象已經用於鼓泡塔反應器中的氣體保存和混合。此外，兩艘模型小船同時漂浮在懸空液體的上表面和下表面。而根據著名的阿基米德原理，浸在流體中的物體受到豎直向上的浮力，其大小等於物體所排開流體的重力。

《自然》同期發表的一篇評論文章指出，該論文有助於未來進一步研究液體邊界行為。這不僅僅只是一種海上奇景，或許在運輸氣體或流體中被困材料方面，具有實際應用意義。

責任編輯：李躍群

校對：欒夢

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