科學探索：反向浮在懸空水麵的小船


圖片來源：論文
這看上去像個魔術，或者是某種錯覺。但是，你的眼睛並沒有欺騙你——那艘小船真的像你看到的一樣，倒立著漂浮。
一個好的魔術師並不會給他們的把戲揭秘。然而，科學家卻恰恰相反。研究者們在《自然》（Nature）上發表的一項新研究中，詳細介紹了這種現象。該研究表明，用力振動裝有矽油或甘油的容器，就會產生“懸浮的液體”，使這些小船上下顛倒地漂浮。
該論文的合著者Emmanuel Fort說：“這些現象太違反直覺了。在實驗室裏看到這個現象的人經常把它當做是一個魔術把戲，或者認為這是科幻小說。”——就像電影《明日世界》中的懸浮泳池一樣。事實上，這些科學家自己也為這個奇特的現象感到驚訝。Fort稱這項研究為“一連串的驚喜與神奇”。


懸浮泳池。圖片來源:《明日世界》
事實上，這並不是研究人員第一次成功製造懸浮液體。在此之前，已經有了幾次使用不同類型液體和技術的探索性研究。
通常來說，密度較大的介質會沉入密度較小的介質下方；例如，當水在沸騰時，氣泡會上升而不是下沉，因為氣體的密度低於液體。或者考慮一下將矽油或甘油倒入盛水的容器中時它們的下沉方式，這是因為它們的粘性更大。即使將牛奶倒入穀物碗這樣的簡單舉動也證明了這個顯而易見的規則——空氣的密度較小，因此液體會落下。
因此，在典型情況下，研究人員使用的矽油或甘油會順理成章地墜入底部。但是，當容器受到劇烈振動時，液體下方的空氣被壓縮，於是某些特殊的現象發生了：液體會停止墜落並抵抗重力。
同樣地，熱和磁場也會使液體發生這種改變。但是Fort表示，振動法更易於實施且用途更廣泛，可以創造有效的、能使液體懸浮在容器中的方式。
他指出，盡管如此，“論文中僅有少量實驗性的觀察。”在這項研究中，該小組能夠將大約半升液體懸浮起來。他說：“我們就是受到了振動力的限製。”
振動也可以用於穩定固體。其中最典型的例子是倒立擺，也被稱為卡皮察（Kapitza）鍾擺。當劇烈搖晃它時，鍾擺將指向天空而不是向下擺動。
在 Fort 參加一次研討會時，卡皮察鍾擺吸引了他的注意。他說：“我認為我們可以用液體做到同樣的事情。”然後，他在論文的合著者 Benjamin Apffel，Filip Novkoski和Antonin Eddi的幫助下著手檢驗該理論。
Fort說，使液體懸浮是具有挑戰性的，需要花費一些時間才能掌握。一旦團隊找到了正確的方案，他們便嚐試將諸如珠子和後來的小船之類的物體放入液體中。果然，通過振動，它們能夠使物體在液體的上下兩麵漂浮。
通常來講，一條船大頭朝下意味著不好的情況。但是這些 3D 打印的小船並沒有沉沒。實際上，恰恰相反。
研究小組選用的小船由輕質塑料製成，帶有微型磁鐵，可以使它們繞著水箱移動。（磁鐵並沒有幹擾漂浮，它們隻是用來將船擺在正確的位置）。

圖片來源：論文
由於液體會因振動而變得穩定，因此小船就可以像在池塘中一樣漂浮。這些小船足夠輕，可以放在液體表麵。但是，Fort也表示，從理論上講，任何密度小於矽油或甘油的密度的物體都可以漂浮在懸浮層中。
Fort和他的同事們仍然希望進一步探索（影響）這一奇妙現象的因素。比如，他們想嚐試在同一個容器中懸浮兩種不同類型的液體。或者，嚐試在更大的容器中讓更多的液體“飄起來”。
Fort說：“從模型來看，隻要振動足夠，就沒有體積限製。唯一的限製是粘度。”理論上來說，這意味著團隊可以建立一個體積更大的，池塘大小的模型來檢驗其發現。但該池中不會用水或油作為懸浮液體，因為它們的粘度不足以在大型容器中懸浮。Fort說，像糖漿一類濃稠的液體可能作為替代實驗品。從它的物理性質來說，是可行的。
撰文：Jennifer Walter
翻譯：賈楠
審校：魏瀟
引進來源：Discover.com
引進鏈接：https://www.discovermagazine.com/the-sciences/these-tiny-boats-can-float-upside-down-on-levitating-liquid
本文來自：環球科學



關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書籍】，了解最新科普書籍
回複【團體定製】，了解最新團體定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習觀鳥相關科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情