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Nature:漂浮在悬空的液体下

“漂浮在悬空的液体下”?这是什么鬼标题?今年高考满分作文看多了吧!封面图还倒着?小编的奖金不想要了?


别急,别急,这些我都能解释……


标题乍一看,真的很像是为搏出位吸眼球连牛顿定律都不顾的标题党,但它确实是一篇新鲜出炉Nature 研究论文标题“Floating under a levitating liquid”的直译。


简单来说,法国巴黎文理研究大学(PSL)的Emmanuel Fort教授等人最近成功地让0.5 L的液体(硅油或甘油)悬浮在空气上方,并且让一艘模型船以上下颠倒的方式在液体下方漂浮。效果是这样的:

学术研究可不是魔法世界,没有哈利波特和咒语,这是反常识的现象是如何实现的呢?


秘诀是——振动。


在50年前,G. H. Wolf就发现,通过在垂直方向施加持续的高频(100 Hz或更高)振动,就能让液体漂浮在密度小得多的气体上方。在这样的实验中,施加振动的频率与悬浮液体的量相关,体积越大的液体,需要更高频率的振动。频率其实是不能无节制的增加的,它受到另一个物理现象制约:法拉第不稳定性(Faraday instability,不久前我们刚介绍了这个现象控制化学反应的Nature Chemistry 文章,点击阅读详细)。根据法拉第不稳定性指出,对液体而言,频率超过一定值,就会形成一定的图案,从而不再连续,空气就会“泄露”。这也是Emmanuel Fort教授团队的研究中采用硅油/甘油的原因:粘度越大,出现法拉第不稳定性需要的频率就越高。实验装置结构如下图a所示,有机玻璃容器放在垂直振荡器上,空气通过长针头注入到硅油/甘油液体底部,随着施加垂直方向的高频振动,液体就会逐渐悬浮起来(下图b)。而且,类似操作还可以实现两层相互独立的悬浮液体(下图e)。

在空气中悬浮的液体层。图片来源:Nature


实现了液体在空气上的悬浮,Emmanuel Fort教授团队就有机会开展更多实验。比如,通过调节振动频率控制气泡在同一个液体中上升或下降;以及把模型船(底部有磁铁以便于操控)放到悬浮的液体上等等。这也就有了文章开头的实验,在悬浮液体的上方和下方模型船都能漂浮。

漂浮在悬浮液体上下的小船模形。图片来源:Nature


可以看到,实验中悬浮液体上方的小船,是一种很正常的姿态——船舱在下,船帆在上;但在悬浮液体下方的小船,则是船舱在上而船帆在下。大家都知道,船只能浮在水面上,背后所依靠的正是阿基米德浮力原理(是的,就是大家在初中学过的、阿基米德在泡澡时发现的如何辨别真假皇冠的原理)。而这个实验暗示,漂浮在悬浮液体下方的小船依然服从阿基米德浮力原理。(现在能理解封面图为什么倒着放洗澡的阿基米德了吧……)

阿基米德雕像。图片来源于网络


这个中考物理必考原理,公式之一就在下图a中。比较意外的是,在悬浮液体下方漂浮的物体受到的浮力也是向上的:这个压力实际上是源自于液体通过持续振动像压缩弹簧一样压缩下方的空气柱这个过程所产生的“平均”结果,因而是向上的。这个动态效应为液体下方漂浮的物体提供了一种动态的稳定机制(下图b)。因此,尽管从静态分析角度出发,在下方的物体处于势能的高点,无法保持在平衡位置。但适当的振动提供的动态稳定效应足以克服静态势能的不利因素,使其保持平衡。(这一段写的有点心虚,大神请不吝赐教……)

悬浮液体上下的阿基米德浮力原理。图片来源:Nature


视频来源:Nature Video[1]


这种通过振动在原本无法保持平衡的位置获得平衡的方式其实早有报道。比较经典的例子是卡皮察摆(Kapitza's pendulum)。这是约一个世纪前发现的一类装置。如下图所示,显然静止状态下黑色小球是很难在高点维持平衡的,因为任何微扰都会让它不可逆的离开平衡位置。但施加合适的振动后,小球就能在高点保持平衡。这个现象在1951年由前苏联著名物理学家彼得•列昂尼多维奇•卡皮察(Pyotr Kapitsa)给出了解释,因此以他的名字命名(卡皮察因为发现液氦的超流性与发现宇宙微波背景辐射的彭齐亚斯和威尔逊分享了1978年的诺贝尔物理学奖)。

卡皮察摆以及给出解释的前苏联物理学家卡皮察。图片来源:Wikipedia [2]


Emmanuel Fort教授团队的这个发现挑战了关于液体—空气界面和浮体的常识,丰富了对液体边界行为的探索。此外,在同期的Nature 上,文章的审稿人之一的Vladislav Sorokin指出,这个研究其实也有诸多潜在的应用价值,例如,通过振动频率控制气泡在液体中移动从而调控气相和液相的反应,以及控制物质在液体中的输运(矿物浮选等工业过程)。[3]


应用价值什么的,说实话笔者并不关心,学习别人如何大开脑洞做科研才是真的……


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Floating under a levitating liquid

Benjamin Apffel, Filip Novkoski, Antonin Eddi, Emmanuel Fort

Nature, 2020, 585, 48–52, DOI: 10.1038/s41586-020-2643-8


参考资料:

1. The weird physics of levitating liquids and upside-down buoyancy

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02528-6

2. Kapitza's pendulum

https://en.wikipedia.org/wiki/Kapitza%27s_pendulum

3. Vibration overcomes gravity on a levitating fluid. Nature, 2020, 585, 31-32

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02451-w


(本文由荷塘月供稿)


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