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馬拉高尼流是如何阻止液滴合並的?

來源:把科學帶回家 作者:萬物 瀏覽 7 次 發布時間:2022-07-25

俗話說,水往低處流。可是14年前,有人發現了水可以逆流而上。不信,大家看這裏——



紫色的顆粒沿著水流向上爬升


看到木有,水麵的粉末隨著逆行的水流回到了上方的容器裏。可以,這很信條。


所以,這水是看了諾蘭新片了嗎?倒不是,這個現象是在2008年金融危機爆炸那年被一個叫做S.Bianchini的物理係少年發現的,距今已有14年。



阿根廷的傳統馬黛茶


當時,來自阿根廷的Bianchini正在泡阿根廷的傳統馬黛茶,馬黛茶是用巴拉圭冬青葉子製作的,茶葉是粉末狀的。當他倒水的時候,猛地發現茶葉竟然倒行逆施,自動飄到了茶壺裏。



倒水時,如果壺嘴和下方液麵距離很近,茶葉就會逆流而上,來到水壺裏。


Bianchini的導師也沒見過這種操作,於是後來Bianchini同學用這個做了畢業論文,然後順利畢業了。


在論文中,他用馬黛茶葉還有粉筆末在實驗條件下重複了上述現象。Bianchini認為,這個現象並不是咱們在生活中常見的毛細現象導致的,而是由於馬拉高尼效應。


馬拉高尼效應咱們以前也講過,表麵張力不同的液體之間形成水流。咱們平時看到的酒杯掛壁,還有風油精小船都是馬拉高尼效應導致的。



馬拉高尼效應還可以用來讓液滴自動解迷宮,超有趣的,回顧點這裏。



Bianchini通過實驗發現,馬黛茶還有粉筆末可以減少下方液體的表麵張力,因此上遊的水表麵張力大,下遊的水表麵張力小。而表麵張力大的地方可以把表麵張力小的地方的液體吸過去,形成馬拉高尼流,所以水才可以倒流。


這個反直覺的物理現象說明,上遊的水不一定比下遊的幹淨,因為下遊可以反過來汙染上遊。因此後來這個現象就被取名為逆流汙染(upstream contamination)。


過了幾年,羅格斯大學的工程學教授Troy Shinbrot對這個現象產生了興趣,於是找了個學生和Bianchini用更複雜的實驗再次驗證了一番,並把結果發表在了2013年的Proceedings of the Royal Society A上。


Shinbrot他們用馬黛茶葉還有粉筆末發現,逆流汙染現象確實存在,液體可以向上攀升1厘米的高度。哪怕上方滴水處寬度達到幾米,這個現象依舊存在,冷水和滾水同樣會出現逆流汙染。


逆流汙染


Shinbrot他們也再次驗證了表麵張力在逆流汙染中的作用。經過測量,他們發現加了粉筆末以後,水的表麵張力減小至原來的一半,加了茶葉以後減小至原來的1/3。


經過計算,加入粉筆末後,減少的表麵張力可以給漂浮在水上的粉末提供20倍的重力加速度,推動它逆流而上。



逆流汙染


那麽問題來了,如果這個現象真的是表麵張力差導致的,那麽消除上遊和下遊的表麵張力差,水是不是就無法倒流了呢?


他們也測試了一下。他們在上遊的水中加入了表麵活性劑苯紮氯銨,減少上遊的表麵張力。果然,這麽幹了之後水就不會倒流了。


實際上,2002年麻省理工學院(MIT)的應用數學教授John W M Bush和同事也發現,如果在下方水池裏加入表麵活性劑,那麽下方的水能夠沿著瀑布倒流,逆行的高度最高可達到2厘米。


了解了這個現象後,相信各位弟弟都不敢在小便池裏近距離滋尿了。



當然對於要做實驗的研究者還有製藥企業來說,這個現象還是很煩人的,這意味著用滴管的時候,下麵的物質可能反過來汙染滴管裏的液體。



你以為馬拉高尼效應可以讓水流逆行已經很秀了麽?在1992年,科學家們還注意到馬拉高尼效應的另一個反常識的神奇技能。


咱們知道,水滴落到杯子裏,會和杯子裏的水融合在一起,這在物理學上叫做合並(coalesce)。



凯发K8国际手机网页之前介紹過,通過振動液麵,可以讓液滴長時間不合並(點我看)。



那年,國際航天任務Spacelab mission D2的宇航員以及意大利那不勒斯大學的物理學家Rodolfo Monti在Onset實驗中觀察到讓兩個液滴不融合的方法,那就是製造巨大的溫差。



這個神奇的現象引起了不少物理學家的興趣,他們認為,這就是馬拉高尼效應作怪。


原來,除了上麵講到的表麵張力差(表麵張力梯度),溫差(溫度梯度)也可以促成馬拉高尼效應,因為溫度越高,表麵張力越小。


Monti後來和同事們做了這樣一種裝置,上麵的儀器懸掛著一滴液體,下麵是同樣液體形成的水平液麵。




他們發現,如果溫差很大,那麽上麵這滴液體死活不會和下麵的液麵融合。


更有趣的是,隻要維持這樣的溫差,哪怕強行把液滴按到下麵的液麵以下,它也不願意融合,把自己活活扭成了氣球。




但是,如果兩個液體的溫度完全一致,它們在幾毫秒內就會融合。


那麽,馬拉高尼流是如何阻止液滴合並的呢?


這是因為上下液體之間存在溫差,因此上麵的液滴和下麵的液麵中都存在馬拉高尼流。而這兩股對衝的馬拉高尼流攪動周圍氣體,使液體之間存在一層輕薄無感的氣體,正是這層氣體阻止了上下液體的合並。這個過程簡而言之就是“冷朝熱風”。


換成兩滴液滴也是一樣,兩滴溫差很大的矽油無法合並——




這個現象在焊接和製造合金時有很大的應用,因為在高溫下熔化的金屬也會遇到類似的問題。當然,在冬天冰冷的廁所裏,大家也能看到帶著餘溫的廢液在尿池中最後的倔強。



懂了,高拉自來水來自馬拉高。