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彼得·卡皮查|浮力，没那么简单！

彼得·卡皮查|浮力，没那么简单！
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如果你是位冲浪高手或者帆船达人 ， 一定很享受在水面浪尖上起舞的感觉 。 但如果给你一项挑战 ， 让你在海浪“下面”来一次“颠倒冲浪”呢？
这听起来好像完全是异想天开 。 但物理学家告诉你 ， 这种反直觉的挑战并非完全不可能 。
彼得·卡皮查|浮力，没那么简单！
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图片来源：B. Apffel et al./Nature 2020
近期 ， 一组物理学家在实验室中用黏性液体和小船模型展示了这样一种“特技” 。 他们成功地让一层黏性液体悬浮在空气层之间 ， 并让小船模型“漂浮”在黏性液体的下表面上 ， 就好像创造出了一个对称的“翻转世界” 。 这一发现不仅颠倒了小船 ， 同样“颠倒”了我们对浮力的理解 。 这项新研究已于近日发表于《自然》杂志 。
浮力并不是一件新鲜事 。 早在公元前两百多年 ， 古希腊先哲阿基米德在公共浴室“洗了个非常重要的澡” 。 他走进浴盆后注意到 ， 他的身体浸入水里后 ， 浴盆里的水位上升了一点 ， 还有一部分水从浴盆边溢了出去 。 同时 ， 他感觉自己的身体变轻了 ， 就像漂了起来一样 。
传言的其中一个版本是 ， 阿基米德就此灵光一现 ， 大喊着“Eureka！”从浴盆中跃起 ， 光着身子就跑回了家 。 虽然这一举动难免让当时看见他的人感到一丝尴尬 ， 但阿基米德自己却摆脱了一直困扰他的尴尬境地 。 他借助浮力的原理成功帮助希伦二世称量了皇冠 。 今天我们也会把浮力定律称为“阿基米德定律” 。 当然阿基米德（以及我们许多人）或许没想到的是 ， 浮力背后还大有文章 。
20世纪50年代起 ， 科学家发现 ， 振动可以引起一些奇怪的行为 ， 来对抗重力 。 1951年 ， 诺贝尔物理学奖得主彼得·卡皮查（Pyotr Kapitsa）发现 ， 快速地上下振动摆锤 ， 可以使这个摆锤保持竖直方向的平衡 ， 而不会向下摆动到它自然稳定的位置 。 从那时起 ， 科学家就会利用振动来探索“反重力”的例子 ， 比如让液体悬浮在半空 ， 让气泡下沉而非上升 。 20世纪80年代 ， 物理学家V. N. 切洛梅（V. N. Chelomei）展示了切洛梅摆 ， 这种摆上有一个可以自由滑动的垫圈 ， 当摆竖直振动时 ， 这个垫圈就会“漂浮”在半空中 。
切洛梅摆 。 | 图片来源：Royal Society Publishing
在新的实验中 ， 研究人员最初是受到了卡皮查摆的启发 ， 想探究一下液体中是否存在类似的行为 。 他们在一台振动的机器顶部建了一个树脂玻璃的容器 ， 并在里面装上硅油或者甘油等黏性液体 ， 然后在容器底部注入了一层空气 。 他们观察到 ， 振动的液体确实会悬浮在“半空” 。
但这其实并非一个新结论 。 研究的通讯作者Emmanuel Fort介绍 ， 这种现象其实早有记录和报道 ， 但由于他所在的实验室的主要研究方向是光学和成像 ， 因此他之前对此并不清楚 。 简单理解 ， 振动的容器中黏性流体可以悬浮 ， 这是因为每次液体的一部分将要滴下来时 ， 振动会提供一个相反的力 ， 把它推回原位 。 这阻止了液体的下表面破裂 ， 并在下方形成了一个“气垫” 。
随后 ， Fort的团队进一步调整了实验 ， 在悬浮的液体中放上了一些小珠子 ， 结果振动“逆转”了浮力的规律 。 这些小珠子可以平稳地漂浮在液体的下表面 。 为了视觉效果更好 ， 小珠子又被换成了模型小船 ， 结果小船可以同时漂浮在液体的上、下表面 ， 看起来非常反直觉 。
彼得·卡皮查|浮力，没那么简单！
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在振动的黏性液体中 ， 模型小船可以同时漂浮在液体的上、下表面 ， 浮力和重力达到了平衡 。 | 图片设计：雯雯子；图片参考：B. Apffel et al./Nature 2020
研究人员建立了模型来解释浮力效果是如何被“镜像”到液体下表面的 。 一般来说 ， 轻微的扰动要么将物体向下推 ， 使其下落 ， 要么让物体上升到液体中 ， 随后浮力会介入 ， 并推动物体上升 。 但是强振动可以抵消这些扰动 。 小船在液体的下表面能够保持稳定 ， 因为它的一部分同样“沉”入水中 ， 在那里 ， 重力向下的拉力和浮力的向上推力是完全平衡的 。
振动系统已经广泛应用在工业界中 。 比如在矿物加工和化学反应中 ， 振动可以控制流体中气泡的运动 。 这项奇怪而反直觉的结果说明 ， 振动系统可能还有许多奇异的特性是我们尚未发现的 。
Fort同样表示 ， 虽然研究中的流体体积很小 ， 但理论公式表明 ， 限制液体体积的主要是振动机器的强度 。 实验效果在黏性液体里很不错 ， 但对水的效果却不够理想 。
所以从理论上来说 ， 只要你的振动机器强度跟得上 ， 并且你愿意在一片黏糊糊的矿物油液体中遨游 ， 或许就可以实现那个“颠倒冲浪”的梦想了 。
参考来源：
https://www.sciencemag.org/news/2020/09/watch-levitating-upside-down-boats-flip-law-buoyancy
https://royalsocietypublishing.org/doi/abs/10.1098/rspa.2001.0793
https://www.sciencenews.org/article/toy-boats-float-upside-down-under-levitated-liquid-antigravity
【彼得·卡皮查|浮力，没那么简单！】亚当·哈特-戴维斯 ， 《薛定谔的猫：改变物理学的50个实验》 ， 2017年10月
封面设计：雯雯子
素材来源：Pixabay


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