友谊的小船说翻就翻？Nature新研究，水可以浮在船上！

---

  新智元报道  

来源：nature

编辑：白峰、QJP

【新智元导读】最近，ESPCI 巴黎分校的物理学家在Nature发表了一项研究，小船颠倒过来漂浮在了液体表面，看起来有点「反重力」，颠覆直觉，牛顿和阿基米德定律是要被打破吗？

  

船漂浮在水面上大家都知道，但是水漂浮在船上，见过吗？

 

             

 

最近，科学家们用一种神奇的方法把世界颠倒了过来，世界看起来完全反直觉了。

 

真是友谊的小船说翻就翻啊。

 

研究人员：只是玩玩而已，没想到会奏效

这个小船在上方的水面不断摇摆，船帆向下，似乎违反了重力，但这个实验确实是真的。

早在1951年，俄罗斯诺贝尔奖获得者、物理学家彼得 · 卡皮察就描述了如何快速地上下摇动钟摆，使其直立而不是下摆到自然稳定的位置。

 

从那时起，科学家们就利用振动使液体在半空中悬浮起来，使气泡下沉而不是上升，而沉淀下来的重粒子通常会漂浮到表面上。但这项新的研究表明，浮力定律似乎被「颠覆」了。

 

             

 

ESPCI 巴黎分校的物理学家伊曼纽尔 · 福特(Emmanuel Fort)说，「我们不知道这会奏效，只是玩玩而已」，玩玩就上了nature。。

科学家们是在研究振动对液体行为的影响时发现这一现象的。在封闭的容器中，一层液体可以漂浮在空气中，原因可能是振动能够稳定那些本来不稳定的系统。

  

想象一下，如果一个盛有液体的容器被迅速翻转过来，液体就会掉到底部。但是，放慢动作的话，液体并不是一下子掉下来的，而是首先在液体的底部形成液滴，从而引发液体其余部分的崩溃。

 

「反重力」效应是真的，但颠覆海洋航行并不现实

但是如果把容器放在振动板上，液体就会表现得非常不同。

 

给液体一个合适频率的垂直振动，就能阻止液滴的形成。没有液滴，液体就能继续悬浮在空中: 它不是下落，而是停留在空气垫上。

 

福特和他的同事展示的是，物体可以体验到「反重力」效应，并漂浮在悬浮液体的底部，他们用漂浮在一层层甘油和硅油上的小玩具船证明了这一点。

 

研究小组的从来没有使用过超过半升的液体，但他们也说了，唯一限制体积的是摇晃机器的强度。

 

尽管这种方法对粘性液体很有效，但对水就不那么有效了。所以，你如果想在海洋上颠倒航行，是不会实现的。

 

「如果你把船在空中向下移动，它就会下降，如果你向上移动，它就会上升到界面。整个实验成功的关键在于稳定平衡」。

 

             

 

想想《加勒比海盗》的场景，可能重新燃起科幻小说家们的创作激情。

  

阿基米德并没有「食言」，颠覆小船的关键是外加振荡

我们来看看小船到底是如何颠倒过来的。

               

图一

 

实验是在一个最大宽度20cm的有机玻璃容器中进行的，如图一 a，这个容器被装在一个振幅为A，频率为w/(2π)的shaker振荡器上。容器里装的液体是甘油或者高粘度的硅油而不是水。

 

通过向容器底部靠近振荡器的位置注射空气来产生气泡，下沉的气泡会逐渐填满容器的底部，产生液体悬浮的效果。

  

             

 

上图是随着外加震荡频率的变化，液体层的垂直振幅增益Gain和相对相位Phrase位移变化。

 

上半部分展示了把振荡器当做一个弹簧来震荡上层的空气层，下半部分则是显示了在硅油悬浮层的两个表面上产生的「法拉第不稳定现象」，可以看出随着频率的升高，液体悬浮层的两个表面相对位移逐渐降低并趋于稳定。

 

             

 振动容器产生的一个和两个液体硅油的悬浮层

 

垂直振动会对液体下部的临界面产生稳定作用，这个作用导致了液体的悬浮。在144cm^2大小的容器中，最大的悬浮质量是0.5升，最大的宽度是20cm。质量方面的限制主要是由于振动器的功率。

 

同时实验表明，除非产生了摩擦或者边界处产生了流动，这种悬浮不会随着时间的流逝而衰减，各层都可以长时间保持稳定。

             

上图的上半部分显示的是在宽2cm和长18cm的容器中悬浮的液体，下半部分是底部临界液体振动速度和容器长度的关系，红色虚线是模型的结果，蓝色的点是实验数据，Error Bar是实验的极值。

       图二

 

现在，我们来看漂浮在悬浮液层倒置界面处的物体。

 

阿基米德原理指出，无论是完全浸没还是部分浸没，沉浸在物体上的浮力等于排开液体的重量。

 

尽管看起来违反直觉，但下界面处的对称位置（图二a）也证实，向上浮力也等于被排开液体的重力。图二b显示了在不考虑动力学影响的情况下施加在浮体上的典型电势，图二c为实验实拍。

              

当液滴质量过大时，平衡就会遭到破坏 ，悬浮的液体就会跌落。

这不只是一个「魔术」，研究人员表示这个发现有实际意义，比如选矿过程中从水和其他液体中分离废物。

这种与直觉相反的浮力现象表明，通过外加振动就可以调节系统的不稳定性，研究人员预计，在这种特殊的实验设置中，可以对在空气和液体之间的界面处发生的现象进行深入探索，没准会有颠覆性的发现。

参考：

《Floating under a levitating liquid 》

https://www.sciencemag.org/news/2020/09/watch-levitating-upside-down-boats-flip-law-buoyancy

https://www.theguardian.com/science/2020/sep/02/whatever-floats-your-boat-scientists-defy-gravity-with-levitating-liquid