作者:佰思科學 |沈東旭 邱亞明
反重力簡直是人類的最終夢想。目前只有傳說中的UFO具有反重力的能力,隨心所欲,愛咋飛咋飛。對人類來說,在物理學理論取得重大突破之前,反重力就只能是一個夢想。只不過"反重力現象",還真被一些人給實現出來了。
UFO:我想咋飛就咋飛
2020年9月3日,《自然》(Nature)雜誌發表了一篇文章,報告了一種匪夷所思的反重力現象。閒話少說,先給大家看個動圖。
反重力漂浮的小船
怎麼樣,神奇吧。你沒看錯,這不是電腦特效,這是懸浮在玻璃容器的一層液體--反重力現象一;液體的上表面漂浮著一艘小船,這很自然,沒啥好說的;液體的下表面還漂浮著一艘小船,是的,倒著漂浮的--這是第二個反重力現象。
懸浮的液體層
凡是看到這裡的讀者,請先思考兩個問題,看看自己能不能想明白原因:第一、為什麼液體能漂浮起來:第二、為什麼液體的下表面能漂浮小船且不掉下去。之前佰思科學發了一個視頻,專門講解這一現象,也可以先看那個視頻再來思考()。不過根據很多看過視頻的人的反饋,還是有點看不懂,所以我們專門寫這篇文章來講解。
甘油
先讓我們解釋第一個現象:為什麼液體能漂浮起來。就好像把大象關進冰箱只需要三步一樣,讓液體層懸浮,也就是三步而已。首先說一下液體的成分。在室溫條件下(20℃),在直徑不超過20cm的玻璃容器中放入高粘度的油,比如甘油,就是平日裡我們擦皮膚的那種東西。
水和甘油的粘度對比
甘油的粘度比較高,常見甘油產品的粘度在0.2~1.2 Pa·s之間,Pa是帕斯卡,s是秒;實驗要求液體的典型粘度在0.5 Pa·s以上。對比一下,水的粘度是8.90x10-4 Pa·s。因此,讓液體懸浮第一個關鍵點就在這裡--液體要有足夠的粘性。
實驗設置
然後讓我們看看實驗設置。在玻璃容器旁邊有一個針頭,用來將空氣注入液體下部,所以液體下部的空氣就是這麼來的。
液體逐漸懸浮起來的過程
再之後,通過上下振動容器,且適當地選擇振動的幅度和頻率,慢慢地液體就懸浮起來了。
振動幅度與頻率的關係
這層液體之所以能夠懸浮,原因在於液體與容器壁之間的毛細效應,為液體層提供了一個向上的拉力。再有就是如上圖中右上角部分所示,液體下部的空氣層被壓縮,密度增加,起到了類似於彈簧的作用,再為液體層提供了一個向上的支持力。兩種力的結合抵消了液體層向下的重力。
使液體懸浮起來的全過程
上下的振動起到了什麼樣的作用呢?我們都知道,液體下落的時候,先在底部形成小液滴,然後再下落。上下的振動使得液體下表面產生類似於共振的效應,阻止液體層下表面形成小液滴,從而保持相對平坦的形態。
兩層懸浮的液體
更有意思的是,使用同樣的技術,可以實現多個懸浮的液體層。上圖中分別顯示了一層和兩層懸浮的液體。理論上來說,懸浮液體層的數量並沒有上限。
兩層懸浮的液體
至於小船為什麼能倒著漂浮,很多人對這一點感覺特別不能理解。其實很簡單。阿基米德定律說,物體受到的浮力大小等於物體排開液體的體積。此外,浮力與物體的重力是作用力與反作用力的關係,二者方向相反。因此,雖然小船處於液體的下表面,但浮力的方向,仍然如下圖所示,是向上的,因為重力總是向下的。總之,浮力的計算規律,與物體在哪個表面漂浮並無關係,這是很多人沒意識到的核心所在。
液體上下表面重力與浮力的方向
也可以從另一個角度來解釋。浮力本質上來說是分子間的作用力。當船在液體上表面時,液體分子阻擋船向下的趨勢,浮力是向上的;當船在液體下表面時,分子之間的吸引力起了作用,液體在儘量拉著船不要向下,浮力還是向上的。
小船處於穩定狀態
最後,小船的漂浮還是穩定的。如果稍微偏移當前的位置,小船還會被推回平衡點附近。這和在液體層上面的小船的行為是一樣的。
怎麼樣,是不是覺得這些反重力現象很有趣呢?