你以为早就有答案的那些问题

数世纪以来,制陶工匠们会通过调整容器边缘来尽量避免这种情况的出现,然而并不能从理论上对此作出科学解释。通过对这些螺旋形状以及其形成进行建模,他们首次成功地预测出了这种射流盘绕的阈值流动条件。但至今为止,玻璃化转变的基础机制仍是一个悬而未决的问题。但一直以来,这种说法并没有得到验证。2018年,有物理学家发现答案是肯定的:他们发现当杆状物被扭转到超过某个临界角度,再缓慢弯曲时,就能断成两段。

本文来自微信公众号:新原理研究所(ID:newprincipia),作者:二宗主,图:岳岳,题图来自:视觉中国

无论是宇宙深处神秘的黑洞的样子,还是微观世界中的亚原子粒子的行为,科学家已经解锁了许多我们甚至无法用肉眼看到的事物的秘密。然而,令人惊讶的是,对于许多日常生活中的常见现象,科学家却一直缺乏一个统一的解释,或者直到最近才偶然发现了隐藏在其中的奥秘。

一、哭泣的红酒杯 

你以为早就有答案的那些问题

问题:

红酒杯壁上的“眼泪”是怎么来的?

常见答案:

轻轻摇晃旋转一杯装有红酒的红酒杯时,能看到杯壁上会挂着一层“眼泪”。专业的评酒师会通过这层眼泪来判断杯中酒的酒精含量,“眼泪”越多,酒精含量就越高。长期以来,人们对这种“眼泪”的理解是基于一种被称为马兰戈尼效应(Marangoni effect)的现象,这是一种由蒸发引起的液体流动:当酒杯在旋转时,杯壁上会留下一层薄薄的酒,薄膜中的酒精的蒸发速度比其他液体(主要是水)更快,导致薄膜的表面张力高于酒杯底部的葡萄酒,由此产生的表面张力梯度造成了马兰戈尼效应,使得葡萄酒沿着酒杯一侧流动。

但是,马兰戈尼效应并不能完全描述这种现象,它无法解释为什么这些“眼泪”还会向上流动。

最新进展:

2020年,物理学家将之前一直被忽略的引力效应纳入了考量之中,发现“眼泪”的向上流动可以被描述为一个爬升波,其厚度会在后缘突然下降,这种波很不稳定。因此,激波中的任何不均匀性都会造成厚厚的水滴,最终以“眼泪”的形式落下。

结论:

一种不稳定的激波是这些“眼泪”的来源。

二、恼人的茶壶效应 

你以为早就有答案的那些问题

问题:

在日常生活中,也在如浇注、印刷和挤压等工业过程中出现的“茶壶效应”,是如何产生的?

最新进展:

将茶从茶壶倒出时,茶水会顺着壶嘴、贴着壶壁向下,流到桌面。数世纪以来,制陶工匠们会通过调整容器边缘来尽量避免这种情况的出现,然而并不能从理论上对此作出科学解释。

2019年,物理学家发展出了一个能定量描述这种现象的模型。他们以30°倾角,将毛细水流喷射到垂直玻璃圆柱体上,以此来观察液体附着在圆柱体上的情况;再通过选用不同直径、不同材料的玻璃管来进行重复实验。

你以为早就有答案的那些问题

 图片来源:E. Jambon-Puillet et al./Phys. Rev. Lett.

他们发现,毛细水流的运动是否受圆柱体的影响,取决于毛细水流的初始速度,以及毛细水流的粗细。在将直径为0.5毫米的毛细水流,喷射到直径为3毫米的玻璃圆柱上时,当水流速度超过1毫升/秒,圆柱体对毛细水流的直线轨迹几乎没有影响;当流速降低,水流开始慢慢绕圆柱偏斜;当流速降至约0.5毫升/秒时,水流几乎开始完全附着在圆柱体上盘绕。通过对这些螺旋形状以及其形成进行建模,他们首次成功地预测出了这种射流盘绕的阈值流动条件。

结论:

水流的初始速度以及几何决定了它是否会贴着壶壁下流。

三、直立的自行车 

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问题:

在我们骑自行车的时候,为什么它能够保持不倒?

常见答案:

这是由“回转效应”(gyroscopic effect)造成的。回转效应出现在当一个物体绕着轴高速旋转时,“高速”是这里的关键词,比如在桌面上旋转的硬币,只有速度足够快才不会倒下。

但这种说法可能并不正确。因为如果自行车的直立是由回转效应维持的,那么任何人都可以在第一次蹬上自行车就轻松上路。2011年,有研究人员制造了一辆实验用自行车,发现当自行车的运行速度在一定范围内,它便能在没有人骑、没有回转效应的情况下,神奇地自行控制和调节平衡,维持直立。

可能答案:

在很大程度上,大脑在维持自行车的直立运行上起到了关键作用。在骑车时,我们其实在做微小的左右转向,当要向右倒下时,我们会下意识地向右转一点,以尽可能地维持轮子在我们的身下移动。这种摇摆转向对新手来说尤为明显,但对于经验老道的骑手来说就几乎难以察觉。但即便感受不明显,这些微小的摆动仍然存在。

结论:

对于这个看似简单的问题,科学家仍没有确切的答案。

四、什么是玻璃? 

你以为早就有答案的那些问题

问题:

玻璃是如何实现从液态到非晶态固体的转变的?

疑惑所在:

玻璃是种无定形固体,它意味着这种材料缺乏固体本该有的有序分子结构,却又坚固得无法被归为液体。大多数物质在从液态转变成固态时,分子会从可自由移动的状态立刻重新排列成紧密有序的模式;但是玻璃在从一团红热的液体变为透明固体的过程中,分子的运动不会随着温度的下降而出现突然的变化,而是既保持液体的无序分子结构,又具有固体才有的物理特性。

有一种理论认为这取决于能量的使用。根据热力学定律,每个分子集合都会被迫寻找能量最低的排列方式。但在任何给定系统中,有的区域会比其他区域做得更好,这意味着不同组的分子会形成不同的构型,从而在整体上形成一种不可调和的混沌排列。

最新进展:

2020年,DeepMind公司利用人工智能对玻璃在固态化过程中的分子如何变化进行了研究。他们发现物理学的相变研究中的一个重要概念——“相关长度”可能与此有关,相关长度可被理解为度量一个粒子可对其他粒子产生影响的距离:随着温度下降,即在玻璃化转变出现时,相关长度会相应地增长,这标志着玻璃化转变的出现;意味着虽然从宏观角度来看,不同温度下的玻璃看起来一样,但实际上在分子层面出现了不同的情况。

结论:

玻璃的微观结构虽看起来没有什么规律,但可能具有比之前以为的更可预测的动态变化。但至今为止,玻璃化转变的基础机制仍是一个悬而未决的问题。

五、悬浮气泡 

你以为早就有答案的那些问题

问题:

在狭窄的试管中,气泡为何会“卡住”,无法向上升腾?

猜测:

有说法认为,在厚度只有几毫米的试管中的气泡之所以不会上升,是因为气泡和管壁之间形成了一层液体薄膜,这层薄膜能将气泡固定在一个地方。但一直以来,这种说法并没有得到验证。

进展:

2019年,一名物理学家通过实验设计,证实了在这种情况下的气泡周围,的确会形成一层非常薄的液体薄膜;并且这些气泡并没有真的被卡住,而是在以极度缓慢的速度向上移动,只是由于薄膜太薄,厚度大约只有几十纳米,因而产生了太强的阻力,大大减缓了气泡的上升速度。

结论:

气泡和管壁存在一层纳米级的液体薄膜,这层薄膜极大地阻碍了气泡上升。

 六、折断意面挑战 

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答案:

这个问题中的关键词是“两段”,每次,意面总是会被折成三段甚至更多,而背后的原因曾令费曼都困惑不已。2005年,法国物理学家发现,当从两端均匀地弯曲如意面般的杆状物时,杆状物会从中间弯曲最厉害的部分折断,这种初始断裂会触发“回弹”效应和弯曲波。在回弹效应下,杆状物在最初断裂后会产生次级波,而次级波又会引发更多的断裂,导致意大利面在多数时候只能断裂成三段或更多段。

进展:

意面究竟有可能只被折断成两段吗?2018年,有物理学家发现答案是肯定的:他们发现当杆状物被扭转到超过某个临界角度,再缓慢弯曲时,就能断成两段。其背后的原因是当杆状物断裂时,它会回弹到与原来弯曲方向相反的方向;但在扭转存在的情况下,这种回弹会被削弱。此外,正如回弹会产生一个“弯曲波”使得杆来回振动一样,扭转也会产生“扭转波”,使得杆来回扭转,直到最终静止。扭转波比弯曲波传播得快,使能量耗散,从而防止了更多的断裂。

结论:

在对折意面时,中间弯曲最厉害的部分的断裂会触发“回弹”效应和弯曲波,从而在最初断裂后产生次级波,会引发后续的断裂。但是如果在对折意面之前对其进行足够强烈的扭转,就不会再产生第二次断裂。

七、冰,为什么那么滑? 

你以为早就有答案的那些问题

问题:

冰为什么这么滑?

常见答案:

冰的表面会形成一层液态水,这层融水薄膜可以起到润滑作用。

然而一直以来,人们并不确定这层融水薄膜是否真的存在。而且一种液体润滑与否,取决于它从两个表面间的间隙中被挤出时所遭遇的阻力大小。而液态水的粘度很低,它并非一种好的润滑剂。

可能答案:

2019年,法国的物理学家利用一种新颖的测力仪,在一定程度上揭晓了答案。他们发现,冰的表面确实存在一层物质,但它并不是一层简单的融水薄膜,而是介于液态水和冰之间,像油一样粘稠的冰水和碎冰的混合。这层混合物的性质既不同于普通的水,也不同于冰,它既具粘性(来自水),也具弹性(来自冰)。它的厚度非常薄,约只有头发的百分之一。

结论:

正是这层薄薄的具有粘弹性的、不易从间隙中被挤出来的冰水与碎冰混合的薄膜,使得冰如此的滑。

参考来源:

https://phys.org/news/2016-05-bike-upright-surprisingly-mind.html

https://www.bbc.co.uk/bitesize/articles/zf6v6v4

https://www.newscientist.com/article/mg22730370-400-how-does-a-bicycle-stay-upright/

https://physics.aps.org/articles/v13/s36

https://www.newscientist.com/article/mg22730370-900-what-is-glass/

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.9.041025

https://phys.org/news/2019-12-student-year-old-physics-enigma.html

https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.4.123601

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/ccft-nmm080719.php

http://stilton.tnw.utwente.nl/people/snoeijer/Papers/Submitted/JambonPuillet2019.pdf

https://phys.org/news/2019-05-tea.html

https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.122.184501

本文来自微信公众号:新原理研究所(ID:newprincipia),作者:二宗主,图:岳岳

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