每天早上有數(shù)百萬個麥片在人們的碗里都會發(fā)生一種有趣的流體力學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)牛奶上面只剩下幾塊麥片時，它們往往會聚集在碗的中央或邊緣，而不是分散在表面上?，F(xiàn)在，布朗大學(xué)的一個研究小組，已經(jīng)開發(fā)出一種方法來測量這種類型群集所涉及的力量。

這是第一次在毫米/厘米尺度的物體上實驗測量這些力。這項研究的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了谷類食品碗，其結(jié)果可能有助于指導(dǎo)微型機器的自我組裝，或設(shè)計在水中和水周圍操作的微型機器人。

雖然已經(jīng)有很多模型描述了這種“麥片效應(yīng)”效應(yīng)（Cheerios effect），但都是理論上的。盡管這是很多人每天都能看到的事情，而且對自組裝等事情也很重要，但還沒有人做過任何這種規(guī)模的實驗測量來驗證這些模型，這就是研究人員在這里能夠做的事情，其研究成果發(fā)表在《物理評論快報》期刊上。麥片效應(yīng)產(chǎn)生于重力和表面張力的相互作用，液體表面的分子傾向于粘在一起，在表面形成一層薄膜。麥片不夠重，不足以打破牛奶的表面張力，所以它們漂浮在水面上。

然而，它們的重量確實在表面薄膜上造成了一個小凹陷。當(dāng)一個凹坑離另一個足夠近的時候，它們就會互相墜落，合并它們的凹痕，最終在牛奶表面形成簇。為了測試不同大小和重量范圍內(nèi)麥片相互吸引的強度，研究人員使用了一種定制的儀器，使用磁力來測量力。這項實驗涉及兩個麥片大小的塑料圓盤，其中一個包含一個小磁鐵，漂浮在一個小水缸里。缸周圍的電子線圈會產(chǎn)生磁場，可以將磁化的圓盤拉走，而另一個則固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

通過測量磁盤開始相互偏離時的磁場強度，研究人員可以確定吸引力的大小。磁場提供了一種向這些物體施力的非機械方式，這一點很重要，因為測量的力類很小，所以如果我們身體接觸這些身體，就會干擾它們的移動方式。實驗表明，當(dāng)圓盤放置在非常近的位置時，傳統(tǒng)的相互作用數(shù)學(xué)模型實際上低估了吸引力強度。起初不確定發(fā)生了什么，直到注意到，隨著兩個圓盤越來越近，它們開始相互傾斜。

傾斜會使圓盤更用力地推動液體表面，這反過來又增加了液體向后推的力，這種額外推力導(dǎo)致兩個圓盤之間的吸引力略有增加。模型還有一個不能滿足的額外條件，那就是這個傾斜，當(dāng)在模型中加入這一要素時，獲得了更好的一致性，這就是在理論和實驗之間來回奔波的價值。這些發(fā)現(xiàn)可能對微型機器和機器人的設(shè)計有用。例如，人們對使用小型蜘蛛狀機器人進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測很感興趣，這種機器人可以在水面上滑行，這項研究揭示了這些機器人將會遇到的各種力量。

博科園｜研究/來自：布朗大學(xué)

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.254502

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