友谊的小船说翻就翻？Nature新研究，水可以浮在船上！
- 时间: 2020-09-18 06:50:00
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。