友誼的小船說翻就翻？Nature新研究，水可以浮在船上

2020-09-04 新智元



【新智元導讀】最近，ESPCI 巴黎分校的物理學家在Nature發表了一項研究，小船顛倒過來漂浮在了液體表面，看起來有點「反重力」，顛覆直覺，牛頓和阿基米德定律是要被打破嗎？

船漂浮在水面上大家都知道，但是水漂浮在船上，見過嗎？

最近，科學家們用一種神奇的方法把世界顛倒了過來，世界看起來完全反直覺了。

真是友誼的小船說翻就翻啊。

這個小船在上方的水面不斷搖擺，船帆向下，似乎違反了重力，但這個實驗確實是真的。

早在1951年，俄羅斯諾貝爾獎獲得者、物理學家彼得 · 卡皮察就描述了如何快速地上下搖動鐘擺，使其直立而不是下擺到自然穩定的位置。

從那時起，科學家們就利用振動使液體在半空中懸浮起來，使氣泡下沉而不是上升，而沉澱下來的重粒子通常會漂浮到表面上。但這項新的研究表明，浮力定律似乎被「顛覆」了。

ESPCI 巴黎分校的物理學家伊曼紐爾 · 福特(Emmanuel Fort)說，「我們不知道這會奏效，只是玩玩而已」，玩玩就上了nature。。


科學家們是在研究振動對液體行為的影響時發現這一現象的。在封閉的容器中，一層液體可以漂浮在空氣中，原因可能是振動能夠穩定那些本來不穩定的系統。

想像一下，如果一個盛有液體的容器被迅速翻轉過來，液體就會掉到底部。但是，放慢動作的話，液體並不是一下子掉下來的，而是首先在液體的底部形成液滴，從而引發液體其餘部分的崩潰。




「反重力」效應是真的，但顛覆海洋航行並不現實


但是如果把容器放在振動板上，液體就會表現得非常不同。

給液體一個合適頻率的垂直振動，就能阻止液滴的形成。沒有液滴，液體就能繼續懸浮在空中: 它不是下落，而是停留在空氣墊上。

福特和他的同事展示的是，物體可以體驗到「反重力」效應，並漂浮在懸浮液體的底部，他們用漂浮在一層層甘油和矽油上的小玩具船證明了這一點。

研究小組的從來沒有使用過超過半升的液體，但他們也說了，唯一限制體積的是搖晃機器的強度。

儘管這種方法對粘性液體很有效，但對水就不那麼有效了。所以，你如果想在海洋上顛倒航行，是不會實現的。

「如果你把船在空中向下移動，它就會下降，如果你向上移動，它就會上升到界面。整個實驗成功的關鍵在於穩定平衡」。

想想《加勒比海盜》的場景，可能重新燃起科幻小說家們的創作激情。

我們來看看小船到底是如何顛倒過來的。


圖一

實驗是在一個最大寬度20cm的有機玻璃容器中進行的，如圖一 a，這個容器被裝在一個振幅為A，頻率為w/(2π)的shaker振蕩器上。容器裡裝的液體是甘油或者高粘度的矽油而不是水。

通過向容器底部靠近振蕩器的位置注射空氣來產生氣泡，下沉的氣泡會逐漸填滿容器的底部，產生液體懸浮的效果。

上圖是隨著外加震蕩頻率的變化，液體層的垂直振幅增益Gain和相對相位Phrase位移變化。

上半部分展示了把振蕩器當做一個彈簧來震蕩上層的空氣層，下半部分則是顯示了在矽油懸浮層的兩個表面上產生的「法拉第不穩定現象」，可以看出隨著頻率的升高，液體懸浮層的兩個表面相對位移逐漸降低並趨於穩定。

振動容器產生的一個和兩個液體矽油的懸浮層

垂直振動會對液體下部的臨界面產生穩定作用，這個作用導致了液體的懸浮。在144cm^2大小的容器中，最大的懸浮質量是0.5升，最大的寬度是20cm。質量方面的限制主要是由于振動器的功率。

同時實驗表明，除非產生了摩擦或者邊界處產生了流動，這種懸浮不會隨著時間的流逝而衰減，各層都可以長時間保持穩定。

上圖的上半部分顯示的是在寬2cm和長18cm的容器中懸浮的液體，下半部分是底部臨界液體振動速度和容器長度的關係，紅色虛線是模型的結果，藍色的點是實驗數據，Error Bar是實驗的極值。

圖二

現在，我們來看漂浮在懸浮液層倒置界面處的物體。

阿基米德原理指出，無論是完全浸沒還是部分浸沒，沉浸在物體上的浮力等於排開液體的重量。

儘管看起來違反直覺，但下界面處的對稱位置（圖二a）也證實，向上浮力也等於被排開液體的重力。圖二b顯示了在不考慮動力學影響的情況下施加在浮體上的典型電勢，圖二c為實驗實拍。

當液滴質量過大時，平衡就會遭到破壞 ，懸浮的液體就會跌落。

這不只是一個「魔術」，研究人員表示這個發現有實際意義，比如選礦過程中從水和其他液體中分離廢物。

這種與直覺相反的浮力現象表明，通過外加振動就可以調節系統的不穩定性，研究人員預計，在這種特殊的實驗設置中，可以對在空氣和液體之間的界面處發生的現象進行深入探索，沒準會有顛覆性的發現。

參考：

《Floating under a levitating liquid 》

https://www.sciencemag.org/news/2020/09/watch-levitating-upside-down-boats-flip-law-buoyancy

https://www.theguardian.com/science/2020/sep/02/whatever-floats-your-boat-scientists-defy-gravity-with-levitating-liquid



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