这个物理现象，只有爱吃早饭的科学家才气发现

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图片泉源：It's Okay To Be Smart

撰文 | 张二七

编辑 | 吴非

如果你喜欢在早餐时来上一碗牛奶泡谷物圈，你可能会发现，谷物圈并不会匀称地漫衍在牛奶外貌，而是会聚在一起，或是贴着碗边漫衍。

不爱吃谷物圈也没关系，喝可乐或其他碳酸饮料时，你也可能注意过类似的现象：汽水外貌的泡沫或是聚成一团，或是贴着杯壁，总之很少有零星的小泡泡独自游荡。

其实，不止是谷物圈和泡沫这种密度比水小的物体，那些密度比水大的物体也能发生类似的现象。好比，若你让几枚图钉或曲别针漂在水面，它们靠近时也会相互吸引。但当一枚图钉与一粒谷物圈相遇，则会相互排挤。

这个最早发现于早餐中的现象引起了物理学家的注意，它也因此拥有一个很“好吃”的名称：“谷物圈效应”（Cheerios Effect）。

“谷物圈效应”

事实上，“谷物圈效应”早在70年前就被发现并引发过讨论，但直到2005年，哈佛大学的科学家才首次对该现象举行了详细解释和模型盘算。相关论文揭晓于《美国物理杂志》，其作者之一L. Mahadevan热衷于用物理原明白释日常生活中的现象，好比视察油漆干燥的历程、纸片下落的历程，以及研究折纸中的结构力学和墨水中的流体力学等。

凭据论文的解释，“谷物圈效应”源于外貌张力和毛细现象带来的液面变形。当能够发生液面变形的两个物体靠近时，由于系统的重力势能和外貌能倾向于最低，物体之间就会相互吸引或排挤。

你可以想象一个足够软的沙发垫，在上面放两个球，球就会滚到一起。“谷物圈效应”也是类似的情况。当你将两枚图钉放到水面上时，外貌张力使它们不会沉入水底，只会在水面形成两个凹坑。当它们靠近时，凹坑汇合并，两枚图钉也会遇到一起。

本段落视频均来自It's Okay To Be Smart

对谷物圈这种密度比水小的物体来说，情况正好相反。当两枚谷物圈漂浮在水面上，浮力会使它们趋于液面最高点。由于毛细力让谷物圈周围和杯壁四周的液面凸起，两个“小山包”靠近时也汇合并，谷物圈就会聚在一起或是贴近杯壁。

但当一重一轻两个物体在水面漂浮，它们贴近时就是一个凹陷和一个凸起相邻，此时外貌能反而会增大，因此它们会相互排挤。

“反向谷物圈效应”

将固体放在液体外貌会发生谷物圈效应，那么反过来又会如何呢？研究发现，液滴落到固体外貌时也能发生类似的效应，只要固体外貌足够柔软即可。

这项研究于2016年揭晓于《美国科学院院报》。研究发现，通过改变固体外貌的柔软水平，就能控制液滴的漫衍方式。

在厚度差别的弹性外貌，水滴体现出了吸引（左）和排挤（右）两种差别的相互作用。（图片泉源：S. Karpitschka et al., 2016）

论文的配合作者，伦敦玛丽女王大学的Lorenzo Botto先容道：“这一发现可以应用于设计与外貌液体漫衍方式有关的质料，好比制造防雾玻璃。通过控制玻璃外貌的软硬和薄厚，我们就能够控制水汽在膜上的凝聚或疏散。”

“液滴使它们所处的外貌变形，而且由于这种变形，发生相互作用——这有点让人遐想到广义相对论中，星系或黑洞会使它们周围的时空变形，”论文的另一位配合作者，Stefan Karpitschka这样认为，“在我们的案例中，值得注意的是，相互作用的偏向可以通过介质举行调整，而无需改变颗粒自己。”

丈量力的巨细

“谷物圈效应”已经发现了许多年，但已往关于谷物圈间力的巨细都只有理论盘算，缺乏实际丈量效果的验证。这是因为在如此小的尺度下丈量实际作用力很是难题。传统的丈量方法通常是在物体上部署一个传感器，但这种力太小了，任何机械式的丈量方法都市造成很大滋扰。

最近，布朗大学的一个研究小组找到了一种方法，可以直接丈量这种力的巨细。研究效果揭晓于《物理评论快报》。

据论文的配合作者之一，布朗大学的本科生Ian Ho先容，这是首次在厘米至毫米尺度下丈量这种作用力。他说：“这个现象在生活中随处可见，而且对于微型机械人的设计很是重要，但已往从未有人举行这种尺度的丈量实验。”因此他们决议举行一次实验。

论文的另一位配合作者，布朗大学的Danial Harris教授表现他们从磁场获得了灵感：“我们需要丈量的力的巨细与一只蚊子的重量差不多，幸好磁场提供了一种非机械的方法，来向这些物体施加力。”

研究者3D打印了两个谷物圈巨细的碟片，并给其中一个加了块很是小的磁铁。通过在周围施加磁场，就可以丈量将两个碟片离开所需要的力。

I. Ho and D. M. Harris/ Brown University

研究发现，谷物圈间的相互作用力比此前模型预测的要大。这可能是因为两个碟片靠近时会发生倾斜，这种倾斜导致液面临碟片的压力更大，因此碟片间的吸引力便会有所增加。论文中还推导了一个定律，将这种力的巨细与物体质量、直径和间距相关联。

“这项研究在设计微型机械人时会很有资助，”Harris先容道，“如果在一小片水面上有多个微型机械，或是一个机械人有多条腿，那你就需要思量它们之间可能的作用力。这是个有趣的研究领域，我们很兴奋能为此做出孝敬。”

早餐中的物理学

其实，物理学领域中有许多与早餐食物有关的效应和理论。

好比人们发现，一袋坚果经由摇晃后，最大颗的坚果总是会留在最上层。思量到这种大颗坚果通常是巴西果，这个效应也被称为“巴西果效应”（Brazil Nut Effect）。

图片泉源：Melchoir/wikipedia

研究认为，这一现象涉及了许多庞大的机制。其中一个理论比力直观，它认为摇晃时小颗粒会填入大颗粒留出的清闲，所以大颗粒会被一点一点“垫”上去。更庞大的分析引入了“颗粒对流”，这种理论认为当摇晃袋子时，固体颗粒会发生类似流体运动的对流现象——中间的颗粒向上移动，四周的颗粒向下移动。然而当较大的颗粒被对流运到外貌时，由于尺寸的限制，无法沿着对流从边缘移动下去，因此巴西果就被留在了上层。

现在对这一现象仍然没有一个统一且全面的解释，研究认为摇晃力度、颗粒材质、容器形状、容器内外貌等等因素都市影响坚果的运动历程。凭据这一原理，工程师设计了雪崩宁静气囊，让人在遭遇雪崩时可以被“摇”到雪面上。

另一个有名的早餐物理理论就是“咖啡环效应”（Coffee Ring Effect），这个名字的来源是滴落的咖啡干燥后会在液滴边缘形成一圈深色的圆环。这是蒸发速率差别形成的毛细流：由于液滴边缘蒸发得快，因此液滴内会形成从中心向边缘的毛细流，这个历程会将水中漫衍的物质也一起搬运并积累到液滴边缘。

思量到这个效应，在印刷或制作膜时，就需要加入颗粒或外貌活性剂等来抑制毛细流，从而到达使产物厚度或颜色匀称的目的。

图片泉源：Jacob Gube/wikipedia

这些故事告诉我们一个原理，不吃早餐不仅可能倒霉于康健，还倒霉于搞好科研——尤其当你是物理专业时。如果你对物理学感兴趣，不如试着边吃早餐边思考，说不定就发现了个“油条效应”呢。

参考文献：

2005年谷物圈论文：

https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1898523

2016年反向谷物圈论文：

https://www.pnas.org/content/113/27/7403#ref-list-1

2019年测谷物圈的力论文：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.254502

泉源：举世科学