每天早晨，數(shù)百萬(wàn)個(gè)谷物碗中都會(huì)發(fā)生一種有趣的流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)僅有少量谷物谷物漂浮在牛奶頂部時(shí)，它們往往會(huì)聚集在碗的中間或邊緣附近，而不是分散在整個(gè)表面上。

現(xiàn)在，布朗大學(xué)的一個(gè)研究人員小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法來(lái)測(cè)量這種聚類(lèi)所涉及的力。研究人員說(shuō)，這是第一次以毫米/厘米為單位對(duì)這些力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。這項(xiàng)工作的意義遠(yuǎn)不止于谷物碗，其結(jié)果可能對(duì)指導(dǎo)微型機(jī)器的自組裝或設(shè)計(jì)在水中和周?chē)\(yùn)行的微型機(jī)器人很有用。

布朗的本科生，描述該工作的論文的主要作者伊恩·霍說(shuō)：“已經(jīng)有很多模型描述這種Cheerios效應(yīng)，但這都是理論上的。” “盡管這是我們每天都會(huì)看到的事情，并且對(duì)于諸如自組裝之類(lèi)的事情很重要，但沒(méi)人能進(jìn)行如此規(guī)模的實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)驗(yàn)證這些模型。這就是我們能夠做到的。”

該研究發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。何的合著者是布朗的訪問(wèn)學(xué)者朱塞佩·普契(Giuseppe Pucci)和布朗工程學(xué)院的助理教授丹尼爾·哈里斯(Daniel Harris)。

Cheerios效應(yīng)是由重力和表面張力的相互作用引起的 - 液體表面上的分子傾向于粘在一起，從而在整個(gè)表面上形成薄膜。像Cheerios這樣的小物體不夠重，無(wú)法破壞牛奶的表面張力，因此它們會(huì)漂浮。但是，它們的重量確實(shí)會(huì)在表面膜上產(chǎn)生小凹痕。當(dāng)一個(gè)Cheerio凹痕與另一個(gè)凹痕足夠近時(shí)，它們相互陷入，合并凹痕，最終在牛奶表面形成簇。

為了測(cè)試Cheerios以及Cheerio尺寸和重量范圍內(nèi)的其他物體之間相互吸引的能力，研究人員使用了一種定制設(shè)備，該設(shè)備使用磁力來(lái)測(cè)量力。實(shí)驗(yàn)涉及兩個(gè)Cheerio大小的塑料盤(pán)，其中一個(gè)包含一個(gè)小磁鐵，漂浮在一個(gè)小水桶中。浴缸周?chē)碾娋€圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)另一個(gè)磁盤(pán)固定在位時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)將磁化磁盤(pán)拉開(kāi)。通過(guò)測(cè)量磁盤(pán)開(kāi)始相互遠(yuǎn)離的瞬間的磁場(chǎng)強(qiáng)度，研究人員可以確定吸引力的大小。

哈里斯說(shuō)：“ 磁場(chǎng)為我們提供了一種非機(jī)械的方法來(lái)向這些物體施加力。” “這很重要，因?yàn)槲覀冋跍y(cè)量的力類(lèi)似于蚊子的重量，因此，如果我們物理接觸這些身體，將會(huì)干擾它們的移動(dòng)方式。”

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁盤(pán)非?？拷胖脮r(shí)，傳統(tǒng)的相互作用數(shù)學(xué)模型實(shí)際上會(huì)低估吸引力的強(qiáng)度。最初，研究人員不確定發(fā)生了什么，直到他們注意到隨著兩個(gè)磁盤(pán)的靠近，它們開(kāi)始彼此傾斜。傾斜導(dǎo)致磁盤(pán)將更硬地推向液體表面，這又增加了液體推回的力。額外的推動(dòng)會(huì)導(dǎo)致磁盤(pán)之間的吸引力稍微增加。

哈里斯說(shuō)：“我們意識(shí)到，我們的模型還有一個(gè)不滿足的額外條件，那就是這種傾斜。” “當(dāng)我們?cè)谀Ｐ椭刑砑右环N成分時(shí)，我們會(huì)達(dá)成更好的共識(shí)。這就是在理論和實(shí)驗(yàn)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換的價(jià)值。”

研究人員說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)可能對(duì)微型機(jī)器和機(jī)器人的設(shè)計(jì)有用。例如，人們感興趣的是使用像蜘蛛一樣的小型機(jī)器人，它們可以在水面掠過(guò)以進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)工作揭示了這些機(jī)器人會(huì)遇到的各種力。

哈里斯說(shuō)：“如果有多臺(tái)小型機(jī)器到處移動(dòng)，或者有兩條或更多條機(jī)器人的腿，則需要知道它們相互作用的力。” “這是一個(gè)有趣的研究領(lǐng)域，我們可以為此做出新的貢獻(xiàn)這一事實(shí)令人興奮。”