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新的物理题?中科院揭示动态过程对浮力的影响","type":"0","vid":"i3329lvjoch
发布日期:2022-04-11 11:37    点击次数:64

我们在初中的物理课上就学过“浮力”的概念。

如果现在问你:

一个樱桃从不同的高度扔到水中,浮力会有变化吗?

看到这个问题,你会不会觉得自己的物理课好像没学明白?别着急,看了今天的文章你就能知道答案。

经典的浮力理论完整了吗?

浮力是生活中的常见现象。早在一千八百多年前,曹冲巧妙地利用船的浮力将大象的重量转换为了小石块的重量,从而成功“称象”。

除了称重之外,浮力还在船只设计、矿物筛选、胶体组装和微纳印刷制造等方面具有重要的应用,而如何准确计算浮力是这些应用的关键。阿基米德最早提出了浮力的计算方法,即著名的阿基米德定律,它指出漂浮物体受到的浮力等于其排开水的重量。如今,这个定律已成为了流体力学的重要基础。

传说阿基米德是在浴缸中得到的灵感

(图片来源:veer图库)

不过一些漂浮现象似乎违背了这个经典定律。例如,硬币、铁钉等密度比水大的物体也可以漂浮在水面上,但它们受到的浮力却远小于重力。

近百年来,研究者们逐渐揭示了其中的奥秘,这其实是表面张力在起作用。放在水上的物体会使水面发生一定程度的弯曲变形,从而产生向上的表面张力。在漂浮物尺寸减小时,液体表面张力起到的作用逐渐增大。典型的例子是水黾等水生昆虫,它们超疏水腿产生的表面张力是浮力的十倍以上。引进表面张力对浮力的修正之后,关于漂浮物浮力的故事似乎已经完整了。

水黾利用超疏水的腿漂浮在水面上

(图片来源:veer图库)

其实,浮力是“善变”的

然而,之前的研究只关注了静态漂浮的物体,忽略了动态过程的作用。近日,中国科学院化学研究所的宋延林研究团队发现,当物体从不同高度落入水中后,可以在水面上呈现不同浸没深度,从而表现出不同的浮力。

从不同高度落入水中的果实呈现不同的浮力

(图片来源:宋延林课题组)

通过对下落过程进行分析,他们发现:物体入水后先下落再上浮,在稳定之前会经历多次的上下振动。但是在这个过程中,物体表面的三相接触线(指固液接触面的边界线,这条线与固、液、气均接触)并不是一直移动的。

第一次下落时,接触线先固定后移动。而在之后的上浮过程中,这个三相线却一直固定在物体表面(下图A)。当物体从不同高度落下时,三相线发生移动的距离不同,而之后的固定阶段则使这个不同的移动距离保持了下来,从而使物体稳定后表现出不同的浮力。这个三阶段的固定-移动-固定的三相线行为是物体呈现不同浮力的根本原因(下图B)。

物体落入水的动态过程

(图片来源:宋延林课题组)

施加外力 调节浮力

根据这个原理,研究人员提出了一个“浮滞回线”来指导物体浮力的调节。从这个曲线可以发现,在外加负载相同时,漂浮物的确可以呈现出不同的浮力,而施加外力的动态过程能够对漂浮物的最终浮力产生影响。

浮滞回线

(视频来源:宋延林课题组)

例如,对物体先施加一个向下的外力,在撤去这个外力后,物体能够从小浮力状态(Surface state)转变为大浮力状态(Dive state)。而先施加再撤去一个向上的外力,则会导致物体从大浮力状态(Dive state)转变成了小浮力状态(Surface state)

漂浮物的浮力调节

(视频来源:宋延林课题组)

改变浮力有什么用?

这种浮力调节方法可以实现物体浮力的实时控制,在界面催化、海水淡化、漂浮机器人设计等领域具有重要应用。

比如,通过调节漂浮物的浮力可以实现可控的液体蒸发。当漂浮物处于小浮力状态时,漂浮物阻隔了太阳光对水面的照射,从而降低液体的蒸发速率。而将漂浮物调节到大浮力状态时,太阳光加热的漂浮物表面能够与水面直接接触,进而大幅提升液体的蒸发速度。

调节浮力改变蒸发速率

(图片来源:宋延林课题组)

而且,改变物体的浮力还能够实现漂浮物的自发释放和收集、催化效率的控制和药物的可控释放等。

微型漂浮物的释放与收集

(视频来源:宋延林课题组)

界面催化反应速率的控制

(图片来源:宋延林课题组)

这一研究首次提出了可变浮力的概念,引入了动态过程的影响,加深了人们对界面现象的理解,在相关领域具有重要的启示意义。

PS:开篇的问题,我们现在已经能够得到答案了,不过要注意:

“同样的物体,可能在下落高度大时表现出较大的浮力,下落高度小时表现出较小的浮力”这个答案只在物体较小时有效哦。

本项目得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后创新人才计划和博士后基金资助。

作者单位:中国科学院化学研究所

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本文经授权转载自微信公众号:科学大院 作者:李安李会增宋延林

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不代表中科院高能所立场

编辑:耿耿

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