Bu fiziksel fenomen ancak kahvaltıyı seven bilim adamları tarafından keşfedilebilir.
Resim videodan geliyor: Akıllı Olmak Sorun Değil
Yazar | Zhang Erqi
Kahvaltıda bir kase süt köpüğü mısır gevreği halkaları bulundurmayı seviyorsanız, tahıl halkalarının sütün yüzeyine eşit şekilde dağılmadığını, ancak bir araya toplandığını veya kasenin yanında dağıldığını görebilirsiniz.
Mısır gevreği halkaları yemeyi sevip sevmemeniz önemli değildir. Kola veya diğer gazlı içecekleri içerken, benzer bir fenomeni fark etmiş olabilirsiniz: Soda yüzeyindeki kabarcıklar bir araya toplanabilir veya fincanın duvarına yapışabilir. Kısacası, çok az dağılmış küçük baloncuk vardır. Kabarcık tek başına dolaşıyor.
Aslında, damarlı daireler ve köpük gibi yalnızca yoğunluğu sudan düşük olan nesneler değil, aynı zamanda sudan daha yüksek yoğunluğa sahip nesneler de benzer fenomenler üretebilir. Örneğin, birkaç raptiye veya ataç suyun üzerinde yüzmesine izin verirseniz, yaklaştıklarında birbirlerini çekerler. Ancak bir raptiye bir tane çemberiyle karşılaştığında, karşılıklı olarak birbirlerini iterler.
İlk olarak kahvaltıda keşfedilen bu fenomen, fizikçilerin dikkatini çekmiş ve çok "lezzetli" bir isme sahip: " Tane halkası etkisi "(Cheerios Etkisi).
"Tahıl Halka Etkisi"
Aslında, "tahıl halka etkisi" 70 yıl önce keşfedildi ve tartışmalara yol açtı, ancak Harvard Üniversitesi'ndeki bilim adamlarının ilk kez fenomenin ayrıntılı bir açıklamasını ve model hesaplamasını vermeleri 2005 yılına kadar değildi. İlgili makaleler American Journal of Physics'te yayınlandı.Yazarlarından biri olan L. Mahadevan, günlük yaşamdaki fenomeni, boyanın kuruma sürecini gözlemlemek, kağıt tabakaların düşme sürecini gözlemlemek ve yapısal mekaniği incelemek gibi fiziksel ilkeleri kullanarak açıklamaya isteklidir. Mürekkepte akışkan mekaniği vb.
Gazetenin açıklamasına göre, "mısır gevreği halkası etkisi" Yüzey gerilimi ve kılcal olayların neden olduğu sıvı yüzey deformasyonu . Sıvı yüzey deformasyonuna neden olabilecek iki nesne yaklaştığında, sistemin yerçekimi potansiyel enerjisi ve yüzey enerjisi en düşük olma eğiliminde olduğundan, nesneler birbirini çekecek veya itecektir.
Yeterince yumuşak bir koltuk minderi hayal edebilirsiniz, üzerine iki top koyun, toplar birlikte yuvarlanacaktır. "Mısır gevreği halkası etkisi" benzerdir. Suyun yüzeyine iki raptiye koyduğunuzda, yüzey gerilimi bunların dibe çökmesini engeller, ancak yüzeyde yalnızca iki çukur oluşturur. Yaklaştıklarında gamzeler birleşecek ve iki raptiye de birbirine değecek.
Bu video Akıllı Olmak İçin Okey'den
Sudan daha az yoğun olan tane halkası için bunun tersi geçerlidir. İki tane halkası suda yüzdüğünde, kaldırma kuvveti onları Sıvı seviyesinin en yüksek noktasına doğru . Kılcal kuvvet, sıvı seviyesini tahıl dairesi ve çanak duvarı şişkinliği etrafında oluşturduğundan, iki "küçük tepe" de yakın olduklarında birleşecek ve tane çemberi birlikte veya çanak duvarına yakın toplanacaktır.
Ancak su yüzeyinde biri ağır biri hafif iki cisim yüzdüğünde, birbirine yakın olduklarında bir çukur ve bir çıkıntı bitişik olduğunda, bu sırada yüzey enerjisi artacak ve böylece birbirlerini iteceklerdir.
"Ters tane daire efekti"
Bir sıvının yüzeyine bir katı yerleştirmek bir tane halkası etkisi yaratır, peki tersi durumda ne olur? Çalışma bulundu, Damlacıklar katı bir yüzeye düştüğünde benzer bir etki üretilebilir. Katı yüzey yeterince yumuşak olduğu sürece.
Bu araştırma 2016'da Proceedings of the National Academy of Sciences'da yayınlandı. Araştırmalar, katı yüzeyin yumuşaklığını değiştirerek damlacıkların dağılımının kontrol edilebileceğini buldu.
Farklı kalınlıklara sahip elastik yüzeylerde, su damlacıkları iki farklı çekim (solda) ve itme (sağda) etkileşimi sergiler. (Resim kaynağı: S. Karpitschka ve diğerleri, 2016)
Makalenin ortak yazarı, Londra Queen Mary Üniversitesi'nden Lorenzo Botto şunları söyledi: "Bu keşif, buğu önleyici cam üretimi gibi sıvının yüzeydeki dağılımı ile ilgili malzemelerin tasarımına uygulanabilir. Cam yüzeyin sertliğini ve kalınlığını kontrol ederek yapabiliriz. Su buharının membranda yoğunlaşmasını veya dağılmasını kontrol edebilir. "
"Damlacıklar üzerinde bulundukları yüzeyi deforme ediyor ve bu deformasyon nedeniyle etkileşiyorlar - bu, galaksilerin veya kara deliklerin etraflarındaki uzay-zamanı deforme ettiği genel göreliliği biraz anımsatıyor," makalenin bir başka yazarlarından biri. Yazar Stefan Karpitschka, "Bizim durumumuzda, etkileşimin yönünün, parçacıkların kendisini değiştirmeden ortam tarafından ayarlanabileceğini belirtmekte fayda var."
Ölçme kuvveti
"Tahıl halka etkisi" yıllardır keşfedilmiştir, ancak geçmişte, tane halka kuvvetinin büyüklüğü yalnızca teorik olarak hesaplanmıştı ve gerçek ölçüm sonuçlarının doğrulanması yoktu. Bunun nedeni, bu kadar küçük ölçekte gerçek ölçümün Güç çok zor. Geleneksel ölçüm yöntemi genellikle nesne üzerinde bir sensör düzenler, ancak bu kuvvet çok küçüktür ve herhangi bir mekanik ölçüm yöntemi büyük parazite neden olur.
Kısa süre önce, Brown Üniversitesi'ndeki bir araştırma ekibi, Bu kuvvetin büyüklüğünü doğrudan ölçün . Araştırma sonuçları "Physics Review Letters" da yayınlandı.
Makalenin ortak yazarlarından biri olan Brown Üniversitesi lisans öğrencisi Ian Ho'ya göre, bu tür çalışmalar ilk kez santimetre ile milimetre ölçeğinde ölçülüyor. Güç . "Bu fenomen hayatın her yerinde görülebilir ve mikro robotların tasarımı için çok önemlidir, ancak geçmişte hiç kimse bu ölçekte bir ölçüm deneyi yapmamıştır." Böylece denemeye karar verdiler.
Makalenin bir başka ortak yazarı olan Brown Üniversitesi'nden Profesör Danial Harris, manyetik alandan ilham aldıklarını söyledi: Ölçmemiz gereken kuvvet, bir sivrisineğin ağırlığı ile hemen hemen aynı. Neyse ki, manyetik alan mekanik olmayan bir yöntem sağlıyor. Bu nesnelere kuvvet uygulayın. "
Araştırmacılar, tane çemberleri boyutunda iki disk yazdırdılar ve bunlardan birine çok küçük bir mıknatıs eklediler. Etrafına bir manyetik alan uygulayarak, iki diski ayırmak için gereken kuvveti ölçebilirsiniz.
I.Ho ve D.M. Harris / Brown Üniversitesi
Çalışma bulundu, Tane çemberleri arasındaki etkileşim Güç Önceki modelin tahmin edilenden daha büyük . Bunun nedeni, iki diskin birbirine yakın olduklarında eğilmesi olabilir.Bu eğim, sıvının disklere daha fazla basınçla bakmasına neden olarak diskler arasındaki çekimin artmasına neden olur. Makale ayrıca bu kuvvetin büyüklüğünü nesnenin kütlesi, çapı ve mesafesiyle ilişkilendiren bir yasa çıkarır.
Harris, "Bu araştırma, mikro robotlar tasarlarken çok yardımcı olacak," dedi. "Küçük bir su parçası üzerinde birden fazla mikro makine varsa veya bir robotun birden fazla ayağı varsa, o zaman aralarındaki olasılığı göz önünde bulundurmanız gerekir. İçin Güç . Bu ilginç bir araştırma alanı ve buna katkıda bulunmaktan heyecan duyuyoruz. "
Kahvaltıda Fizik
Aslında fizik alanında kahvaltılık yiyeceklerle ilgili pek çok etki ve teori vardır.
Örneğin, insanlar bir torba kuruyemiş çalkalandıktan sonra en büyük kabuklu yemişlerin her zaman en üst katmanda kaldığını görürler. Bu iri kabuklu yemişlerin genellikle Brezilya fıstığı olduğu düşünüldüğünde bu etkiye " Brezilya Cevizi Etkisi "(Brezilya Cevizi Etkisi).
Resim kaynağı: Melchoir / wikipedia
Çalışmalar, bu fenomenin birçok karmaşık mekanizmayı içerdiğine inanmaktadır. Teorilerden biri daha sezgiseldir: Küçük parçacıkların sallandıklarında büyük parçacıkların bıraktığı boşlukları dolduracağına, bu nedenle büyük parçacıkların yavaş yavaş "matlaşacağına" inanmaktadır. Daha karmaşık analizler, torba sallandığında katı parçacıkların sıvı hareketine benzer bir konveksiyon fenomeni oluşturacağı teorisi olan "parçacık taşınımını" ortaya çıkarır - ortadaki parçacıklar yukarı doğru hareket eder ve çevreleyen parçacıklar aşağı doğru hareket eder. Bununla birlikte, daha büyük parçacıklar konveksiyon ile yüzeye taşındığında, boyut sınırlaması nedeniyle konveksiyon boyunca kenar boyunca hareket edemezler, bu nedenle Brezilya fıstığı üst katmanda kalır.
Şu anda, bu fenomen için hala birleşik ve kapsamlı bir açıklama yoktur.Araştırmalar, sarsma mukavemeti, partikül malzemesi, kap şekli, kabın iç yüzeyi vb. Bu prensibe dayanarak, mühendisler, bir çığ durumunda insanların kar yüzeyine "şok" verilebilmesi için bir çığ hava yastığı tasarladılar.
Bir diğer iyi bilinen kahvaltı fiziği teorisi " Kahve halkası etkisi "(Kahve Halkası Etkisi), isminin kökeni, damlayan kahve kuruduktan sonra damlacığın kenarında koyu bir daire oluşturmasıdır. Bu, farklı buharlaşma hızlarının oluşturduğu kılcal akıştır: damlacık kenarı hızla buharlaştığı için, Böylelikle damlacıkta merkezden kenara bir kılcal akış oluşacaktır, bu işlem aynı zamanda suda dağılan maddeleri damlacığın kenarına da taşıyacak ve biriktirecektir.
Bu etkiyi göz önünde bulundurarak, filmleri basarken veya yaparken, tek tip ürün kalınlığı veya rengi hedefine ulaşmak için kılcal akışı engellemek için parçacıklar veya yüzey aktif maddeler eklemek gerekir.
Resim kaynağı: Jacob Gube / wikipedia
Bu hikayeler bize bir gerçeği anlatıyor, kahvaltıyı atlamak sadece sağlığınız için değil, aynı zamanda bilimsel araştırmalar için de kötü olabilir - özellikle de fizik öğrencisiyseniz. Fizikle ilgileniyorsanız, kahvaltı yaparken de düşünmeye çalışabilirsiniz, belki bir "fritte etkisi" bulacaksınız.
Referanslar:
2005 Tahıl Dairesi Kağıdı:
https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1898523
2016 Ters Tahıl Dairesi Kağıdı:
https: // www. pnas.org/content/113/27/7403#ref-list-1
2019 tahıl halkasının kuvvet kağıtları:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.254502
Bu makale şunlardan oluşmaktadır: WeChat kamu "Küresel Bilim" ( İD: huanqiukexue) Yetkilendirme ile yeniden yazdırın
Lütfen önce newmedia @ huanqiukexue ile iletişime geçin .com
Editör: Kun
