吃早餐时发现的“谷物圈效应”竟然这么神奇！

每天早上，在你的早餐碗中都会出现一个有趣的流体动力学现象:当牛奶中只剩下一点点谷物时，它会聚集在碗的中间或者散落在碗的边缘，而不是表面。

图来自:pexels

布朗大学的一个研究小组已经开发出一种方法来测量这种现象所涉及的力。他们说这是第一次在毫米/厘米尺度上实验性地测量这些力。这项工作的意义远远超出了研究早餐碗的范围。研究结果可能对微机械的研究和发展有所帮助。

作者伊恩·何(Ian Ho)说:“已经有许多理论模型来解释这种颗粒环效应，但还没有人做过任何这种规模的实验来测量和验证这些模型。”

颗粒环效应来自重力和表面张力之间的相互作用。像谷物环这样的小物体不够重，不足以打破牛奶的表面张力，所以它们漂浮在牛奶上。然而，它们的重量确实在表面薄膜上产生了一个小凹痕，所以当凹痕之间的距离足够近时，它们将相互碰撞，合并凹痕，并最终在牛奶表面形成一个球。

为了测试谷物环和其他类似大小和重量的物体之间的吸引力，研究人员使用了一种定制的仪器来测量磁力。实验包括两个颗粒环大小的塑料圆盘，其中一个装有一个小磁铁，漂浮在一个桶上。当另一个磁化的圆盘被固定在适当的位置时，磁场会把它拉开。通过测量磁盘开始相向移动时的磁场强度，研究人员可以确定重力的大小。

哈里斯说:“磁场给了我们一种非机械的方式来对这些物体施力。这种方法的重要性在于我们测量的力和蚊子的重量差不多。一旦我们的身体接触到它，就会干扰它们的运动。”

实验表明，传统的相互作用数学模型实际上低估了圆盘接近时的吸引力。起初，研究人员不确定发生了什么，直到他们注意到随着两个圆盘越来越近，它们开始向对方倾斜。倾斜使圆盘更用力地推液体表面，从而增加了推回液体的力。额外的推力略微增加了圆盘之间的吸引力。

哈里斯说:“我们意识到我们的模型不够完整，缺少一个条件，那就是这种倾斜。这就是在理论和实验之间来回穿梭的价值。”

研究人员表示，这些发现将有助于微型机器人的发展。如果你有许多小机器在机器人的许多条腿上移动，你需要知道它们相互之间施加了什么力。这是一个有趣的研究领域。

蝌蚪工作人员从科学博客，翻译狗Gege，转载必须得到授权。