物理学奇观之反向浮力的倒悬之海

很多人小时候都看过一个用来验证大气压的科学实验:用一张纸盖住装满水的杯子,然后用一只手掌压住纸,另一只手抓住杯子,缓缓把杯子倒过来。最后拿开压住纸张的手,因为气压的关系,杯中的水不会落下。

但是,如果拿掉那张纸,气压似乎就无法支撑住水——水会倾泻而下。

这一现象和所谓的瑞利-泰勒不稳定性相关。

当我们把液体层放置在密度较小的介质(如空气)上时,如果液体质量超过一定大小,就会向下塌陷,因为作用在下部介质界面上的重力会触发去稳定作用,即瑞利-泰勒不稳定性。

瑞利-泰勒不稳定性显然是我们不希望看到的东西。在工业上,如果能够直接用空气支撑住液体,无疑会产生许价值非凡的应用;在用水封住石油的时候,我们也期望水和石油是泾渭分明的,不要发生崩溃式渗透。

为了避免瑞利-泰勒不稳定性而开发的许多方法中,垂直振动被证明是有效的,因此展开了非常详细的研究。

现在,科学家发现了惊人的现象——反向浮力的倒悬之海。

借助垂直振动,科学家让密闭玻璃内的粘稠液体被空气支撑——也就是悬浮起来。这本身倒不惊人。

问题是,科学家最开始在液体上放了一个空心金属小球。等液体层被空气托起之后,小球浮在了液体层的下表面

我们平日所见的浮力现象,都是物体在液体层的上表面,借助水的压力平衡重力。现在,用空气托起液体层之后,各种力的相互作用,导致物体浮在了液体层的下表面。

更有甚者,借助磁铁一类的手段,如果我们水平拉扯小球,运动效果就和物体浮在液体上表面时一样。当我们向上压一下小球的时候,因为反向浮(压)力的作用,小球会自动回到原位——类比:我们用手压一下浮在水池里的塑料玩具,挪开手,玩具就会自动浮上来。

这一现象的本质原理并不复杂,就是压力和重力之间的平衡。但是实际计算起来却非常麻烦。实际上,这才是科学家在这一课题里最关心的突破。

上下震荡的强度和频率也至关重要。随着振动的减少,咒语失效,小球和悬浮的液体层落回容器底。

就像前面所说,这一精巧发现并非是为魔术表演提供原理,在工业上我们用流体推动气体或其他材料的运输手段,就是重要的潜在应用方向。

该研究发表在《自然》上。

原文:https://www.sciencealert.com/physicists-discover-a-weird-anti-gravity-effect-by-floating-boats-underneath-liquid

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