早餐碗里的谷物圈效應(yīng)

我們在日常生活中常常會遇到一些現(xiàn)象，看似平淡無奇，卻隱藏著某些物理原理。“谷物圈效應(yīng)”（Cheerios Effect）就是與早餐密切相關(guān)的有趣現(xiàn)象。

什么是“谷物圈效應(yīng)”？

當(dāng)你向盛滿牛奶的碗中倒入谷物圈時，你會發(fā)現(xiàn)這些谷物圈不會孤零零地分散開，而是要么聚集成一個個的團狀結(jié)構(gòu)，要么貼在碗邊。

這種現(xiàn)象同樣適用于其他浮在液體表面的輕質(zhì)小物體，如泡沫、花瓣等。這就是神奇的“谷物圈效應(yīng)”，最早是一位科學(xué)家在吃谷物圈早餐時發(fā)現(xiàn)的。

浮力與表面張力

為什么會出現(xiàn)“谷物圈效應(yīng)”呢？我們首先需要了解兩個基本物理概念：浮力和表面張力。

浮力是指當(dāng)一個物體部分或完全浸入液體時，液體對物體產(chǎn)生的向上的力。阿基米德原理指出，浮力的大小等于物體排開液體的重量。當(dāng)谷物圈漂浮在牛奶表面時，它們受到浮力的作用，保持漂浮狀態(tài)。

表面張力是液體表面由于分子間相互吸引而表現(xiàn)出的收縮趨向。液體表面由于分子受到周圍分子的拉力，會盡可能縮小其表面積，形成一個類似于彈性的薄膜。這種現(xiàn)象在肥皂泡中表現(xiàn)得尤為明顯。

“谷物圈效應(yīng)”是怎樣形成的？

“谷物圈效應(yīng)”是浮力和表面張力共同作用的結(jié)果。

當(dāng)谷物圈漂浮在牛奶表面時，會使牛奶表面產(chǎn)生微小的凹陷，發(fā)生形變，形成局部的液面高低差。由于表面張力的作用，液體表面總是傾向于恢復(fù)到平坦?fàn)顟B(tài)，因此這些凹陷區(qū)域會產(chǎn)生一個向內(nèi)的拉力，迫使谷物圈靠近彼此。

當(dāng)兩個或多個谷物圈在牛奶表面相互靠近時，各自產(chǎn)生的凹陷會相互影響。這些凹陷區(qū)域會形成一個合力，將谷物圈拉向彼此，使它們聚集在一起。

當(dāng)谷物圈靠近容器邊緣時，會讓牛奶表面產(chǎn)生額外的凹陷，進一步促進谷物圈的聚集效應(yīng)。

現(xiàn)代科技中的應(yīng)用

“谷物圈效應(yīng)”在現(xiàn)實生活中有廣泛的應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究人員可以更好地理解細胞和微粒在液體中的行為；在材料科學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家可以設(shè)計和制造具有特定表面特性的材料；水面微型機器人逐漸在環(huán)境監(jiān)測、搜索與救援等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，當(dāng)像水黽（meng）一樣的小機器人在水面移動時，會與水面產(chǎn)生相互作用，科學(xué)家通過深入分析“谷物圈效應(yīng)”中的數(shù)學(xué)模型，能合理設(shè)置水面微型機器人的形狀、重量分布和推進方式，提高穩(wěn)定性，確保機器人能夠平穩(wěn)、準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)。

一起來做實驗吧！

第1步：碗中倒入牛奶。

第2步：將谷物圈撒進碗里。

貼近谷物圈仔細觀察，可以看到谷物圉周圍和碗壁附近的牛奶表面有細微凸起，凸起之間相互吸引。隨著時間的推移，這些谷物圈相互靠近，聚集在一起，形成團狀結(jié)構(gòu)或者貼在碗壁周圍。

第3步：動手把聚在一起的谷物圈分開后，不一會兒，它們又會重新聚集在一起。

探索：加入少量洗滌劑，仔細觀察，谷物國會有哪些行為變化？

原理解析：洗滌劑會降低液體的表面張力，使谷物圈的聚集效應(yīng)減弱。

作者單位

趙文君 北京市燕山教研中心 王洪鵬 中國科技館