●張二七 文 小琪 編 超小愛(ài) 繪

不愛(ài)吃谷物圈也沒(méi)關(guān)系，喝可樂(lè)或其他碳酸飲料時(shí)，你也可能注意過(guò)類(lèi)似的現(xiàn)象：汽水表面的泡沫或是聚成一團(tuán)，或是貼著杯壁，總之很少有零星的小泡泡獨(dú)自游蕩。

其實(shí)，不止是谷物圈和泡沫這種密度比水小的物體，那些密度比水大的物體也能產(chǎn)生類(lèi)似的現(xiàn)象。比如，若你讓幾枚圖釘或曲別針漂在水面，它們靠近時(shí)也會(huì)相互吸引；但當(dāng)一枚圖釘與一粒谷物圈相遇，則會(huì)相互排斥。

這個(gè)最早發(fā)現(xiàn)于早餐中的現(xiàn)象引起了物理學(xué)家的注意，它也因此擁有一個(gè)很“好吃”的名稱(chēng)：“谷物圈效應(yīng)”。

“谷物圈效應(yīng)”

事實(shí)上，“谷物圈效應(yīng)”早在70年前就被發(fā)現(xiàn)并引發(fā)過(guò)討論，但直到2005年，哈佛大學(xué)的科學(xué)家才首次對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)解釋和模型計(jì)算。相關(guān)論文發(fā)表于《美國(guó)物理雜志》，其作者之一馬哈德萬(wàn)熱衷于用物理原理解釋日常生活中的現(xiàn)象，比如觀察油漆干燥的過(guò)程、紙片下落的過(guò)程，以及研究折紙中的結(jié)構(gòu)力學(xué)和墨水中的流體力學(xué)等。

根據(jù)論文的解釋?zhuān)肮任锶π?yīng)”源于表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象帶來(lái)的液面變形。當(dāng)能夠產(chǎn)生液面變形的兩個(gè)物體靠近時(shí)，由于系統(tǒng)的重力勢(shì)能和表面能傾向于最低，物體之間就會(huì)互相吸引或排斥。

將谷物圈一個(gè)一個(gè)放入牛奶中，仔細(xì)觀察現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)：谷物圈自動(dòng)聚在一起或者靠到杯子邊緣。

將圖釘?shù)谋忸^朝下，一個(gè)一個(gè)輕輕放到水面上。發(fā)現(xiàn)：圖釘互相靠近，聚在一起。

你可以想象一個(gè)足夠軟的沙發(fā)墊，在上面放兩個(gè)球，球就會(huì)滾到一起?！肮任锶π?yīng)”也是類(lèi)似的情況。當(dāng)你將兩枚圖釘放到水面上時(shí)，表面張力使它們不會(huì)沉入水底，只會(huì)在水面形成兩個(gè)凹坑。當(dāng)它們靠近時(shí)，凹坑會(huì)合并，兩枚圖釘也會(huì)碰到一起。

對(duì)谷物圈這種密度比水小的物體來(lái)說(shuō)，情況正好相反。當(dāng)兩枚谷物圈漂浮在水面上，浮力會(huì)使它們趨于液面最高點(diǎn)。由于毛細(xì)力讓谷物圈周?chē)捅诟浇囊好嫱蛊穑瑑蓚€(gè)“小山包”靠近時(shí)也會(huì)合并，谷物圈就會(huì)聚在一起或是貼近杯壁。

但當(dāng)一重一輕兩個(gè)物體在水面漂浮，它們貼近時(shí)就是一個(gè)凹陷和一個(gè)凸起相鄰，此時(shí)表面能反而會(huì)增大，因此它們會(huì)相互排斥。

“反向谷物圈效應(yīng)”

將固體放在液體表面會(huì)產(chǎn)生谷物圈效應(yīng)，那么反過(guò)來(lái)又會(huì)如何呢？研究發(fā)現(xiàn)，液滴落到固體表面時(shí)也能產(chǎn)生類(lèi)似的效應(yīng)，只要固體表面足夠柔軟即可。

這項(xiàng)研究于2016年發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變固體表面的柔軟程度，就能控制液滴的分布方式。

論文的共同作者，倫敦瑪麗女王大學(xué)的洛倫佐·巴托介紹道：“這一發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用于設(shè)計(jì)與表面液體分布方式有關(guān)的材料，比如制造防霧玻璃。通過(guò)控制玻璃表面的軟硬和薄厚，我們就能夠控制水汽在膜上的凝聚或分散?！?/p>

“液滴使它們所處的表面變形，并且由于這種變形，產(chǎn)生相互作用——這有點(diǎn)讓人聯(lián)想到廣義相對(duì)論中，星系或黑洞會(huì)使它們周?chē)臅r(shí)空變形，”論文的另一位共同作者，斯蒂芬·卡皮奇卡這樣認(rèn)為，“在我們的案例中，值得注意的是，相互作用的方向可以通過(guò)介質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，而無(wú)需改變顆粒本身?！?/p>

測(cè)量力的大小

“谷物圈效應(yīng)”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多年，但過(guò)去關(guān)于谷物圈間力的大小都只有理論計(jì)算，缺乏實(shí)際測(cè)量結(jié)果的驗(yàn)證。這是因?yàn)樵谌绱诵〉某叨认聹y(cè)量實(shí)際作用力非常困難。傳統(tǒng)的測(cè)量方法通常是在物體上布置一個(gè)傳感器，但這種力太小了，任何機(jī)械式的測(cè)量方法都會(huì)造成很大干擾。

布朗大學(xué)的一個(gè)研究小組找到了一種方法，可以直接測(cè)量這種力的大小。研究結(jié)果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

據(jù)論文的共同作者之一，布朗大學(xué)的本科生伊恩介紹，這是首次在厘米至毫米尺度下測(cè)量這種作用力。他說(shuō)：“這個(gè)現(xiàn)象在生活中隨處可見(jiàn)，并且對(duì)于微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)非常重要，但過(guò)去從未有人進(jìn)行這種尺度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?！币虼怂麄儧Q定進(jìn)行一次嘗試。

論文的另一位共同作者，布朗大學(xué)的丹尼爾·哈里斯教授表示他們從磁場(chǎng)獲得了靈感：“我們需要測(cè)量的力的大小與一只蚊子的重量差不多，幸好磁場(chǎng)提供了一種非機(jī)械的方法，來(lái)向這些物體施加力。”

研究者3D打印了兩個(gè)谷物圈大小的碟片，并給其中一個(gè)加了塊非常小的磁鐵。通過(guò)在周?chē)┘哟艌?chǎng)，就可以測(cè)量將兩個(gè)碟片分開(kāi)所需要的力。

研究發(fā)現(xiàn)，谷物圈間的相互作用力比此前模型預(yù)測(cè)的要大。這可能是因?yàn)閮蓚€(gè)碟片靠近時(shí)會(huì)發(fā)生傾斜，這種傾斜導(dǎo)致液面對(duì)碟片的壓力更大，因此碟片間的吸引力便會(huì)有所增加。論文中還推導(dǎo)了一個(gè)定律，將這種力的大小與物體質(zhì)量、直徑和間距相關(guān)聯(lián)。

“這項(xiàng)研究在設(shè)計(jì)微型機(jī)器人時(shí)會(huì)很有幫助，”哈里斯介紹道，“如果在一小片水面上有多個(gè)微型機(jī)器，或是一個(gè)機(jī)器人有多條腿，那你就需要考慮它們之間可能的作用力。這是個(gè)有趣的研究領(lǐng)域，我們很興奮能為此做出貢獻(xiàn)?！?/p>

“咖啡環(huán)效應(yīng)”，這個(gè)名字的來(lái)歷是滴落的咖啡干燥后會(huì)在液滴邊緣形成一圈深色的圓環(huán)。

早餐中的物理學(xué)

其實(shí)，物理學(xué)領(lǐng)域中有許多與早餐食物有關(guān)的效應(yīng)和理論。比如人們發(fā)現(xiàn)，一袋堅(jiān)果經(jīng)過(guò)搖晃后，最大顆的堅(jiān)果總是會(huì)留在最上層。考慮到這種大顆堅(jiān)果通常是巴西果，這個(gè)效應(yīng)也被稱(chēng)為“巴西果效應(yīng)”。

研究認(rèn)為，這一現(xiàn)象涉及了很多復(fù)雜的機(jī)制。其中一個(gè)理論比較直觀，它認(rèn)為搖晃時(shí)小顆粒會(huì)填入大顆粒留出的空隙，所以大顆粒會(huì)被一點(diǎn)一點(diǎn)“墊”上去。更復(fù)雜的分析引入了“顆粒對(duì)流”，這種理論認(rèn)為當(dāng)搖晃袋子時(shí)，固體顆粒會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似流體運(yùn)動(dòng)的對(duì)流現(xiàn)象——中間的顆粒向上移動(dòng)，四周的顆粒向下移動(dòng)。然而當(dāng)較大的顆粒被對(duì)流運(yùn)到表面時(shí)，由于尺寸的限制，無(wú)法沿著對(duì)流從邊緣移動(dòng)下去，因此巴西果就被留在了上層。

目前對(duì)這一現(xiàn)象仍然沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一且全面的解釋?zhuān)芯空J(rèn)為搖晃力度、顆粒材質(zhì)、容器形狀、容器內(nèi)表面等等因素都會(huì)影響堅(jiān)果的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。根據(jù)這一原理，工程師設(shè)計(jì)了雪崩安全氣囊，讓人在遭遇雪崩時(shí)可以被“搖”到雪面上。

另一個(gè)有名的早餐物理理論就是“咖啡環(huán)效應(yīng)”，這個(gè)名字的來(lái)歷是滴落的咖啡干燥后會(huì)在液滴邊緣形成一圈深色的圓環(huán)。這是蒸發(fā)速率不同形成的毛細(xì)流：由于液滴邊緣蒸發(fā)得快，因此液滴內(nèi)會(huì)形成從中心向邊緣的毛細(xì)流，這個(gè)過(guò)程會(huì)將水中分布的物質(zhì)也一起搬運(yùn)并積累到液滴邊緣。

考慮到這個(gè)效應(yīng)，在印刷或制作膜時(shí)，就需要加入顆?；虮砻婊钚詣┑葋?lái)抑制毛細(xì)流，從而達(dá)到使產(chǎn)品厚度或顏色均勻的目的。

這些故事告訴我們一個(gè)道理，不吃早餐不僅可能不利于健康，還不利于搞好科研——尤其當(dāng)你的專(zhuān)業(yè)是物理時(shí)。如果你對(duì)物理學(xué)感興趣，不如試著邊吃早餐邊思考，說(shuō)不定就發(fā)現(xiàn)了個(gè)“油條效應(yīng)”呢。