在我們的日常飲食,，特別是早餐中,，牛奶是非常重要的一部分。許多人喝牛奶時(shí),，喜歡加入麥片來獲得更加均衡的營養(yǎng),。在種類繁多的麥片中，美國食品業(yè)巨頭通用磨坊公司生產(chǎn)的Cheerios 牌麥片是一個(gè)比較著名的品牌,，它有別于其他麥片的一個(gè)顯著特點(diǎn)是被制作成一個(gè)個(gè)小小的圓環(huán),，因此也被稱為麥圈。大家不要誤會(huì),，本文并不是要為這個(gè)品牌打廣告,，而是要介紹以其命名的一種自然現(xiàn)象—麥圈效應(yīng)（Cheerios effect）。什么是麥圈效應(yīng)呢,？當(dāng)你在牛奶中放入一個(gè)個(gè)麥圈時(shí),，如果仔細(xì)觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些漂浮在牛奶表面的麥圈會(huì)相互吸引,，紛紛聚集在一起,，這就是麥圈效應(yīng)。即使你不愛吃麥圈,，那也會(huì)發(fā)現(xiàn)其他漂浮在水面的小物體,，例如氣泡、油滴,，甚至是硬幣,、曲別針等，也都能夠相互吸引,，好像它們之間有著某種“引力”在起作用,，這同樣是麥圈效應(yīng)的體現(xiàn)。浮在牛奶表面的麥圈總會(huì)聚集起來,，最終分布在中間與邊緣,，這被稱為麥圈效應(yīng),。氣泡、油滴也有類似的聚集分布,。
你可能無數(shù)次看到過類似的現(xiàn)象,，但你有沒有想過，麥圈效應(yīng)為什么會(huì)發(fā)生呢,？我們先來做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：假設(shè)在一杯水的內(nèi)部有一個(gè)麥圈,。顯然，密度小于水的麥圈會(huì)在浮力的作用下沿著垂直向上的方向移動(dòng),。直到麥圈的一部分露出水面,，麥圈所受的浮力減小到與重力大小相等時(shí)，麥圈才會(huì)停止運(yùn)動(dòng),，并漂浮在水面上,。這就是著名的阿基米德原理。然而,，當(dāng)麥圈試圖浮出水面時(shí),，另外一個(gè)隱形的力量卻試圖阻止它“出頭露面”，這就是表面張力,。我們知道,，水或者其他液體的分子之間總是互相吸引。在液體內(nèi)部,，每一個(gè)分子都被其他分子包圍,，這些分子所產(chǎn)生的吸引力互相抵消，使得每個(gè)液體分子都處于受力平衡狀態(tài),。然而在液體表面,，情況就截然不同了。在這里,，液體分子的一側(cè)是自己的同伴,，另外一側(cè)則是空氣，因此,，液體分子之間的互相吸引不再能夠互相抵消,，而是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的吸引力，這就是通常所說的表面張力,。表面張力的存在會(huì)促使液體保持最小的表面積,，讓液體分子盡可能避免與“異類”相接觸。其實(shí),，嚴(yán)格來說表面張力并不是一種力,，而是表示單位長度上的受力,。表面張力的單位牛/ 米也可以改寫成焦耳/ 米2的形式,。此時(shí)表面張力就變成了表面能,，表明要想擴(kuò)大單位面積的表面所需要的能量。隨著麥圈浮到水面位置,，立刻打破了原本平靜的表面,，給整個(gè)系統(tǒng)增添了更多的表面積，這顯然是大自然所不愿意看到的,。因此,，水的表面張力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的作用力，試圖阻止麥圈上浮,。然而,，麥圈所受浮力畢竟很強(qiáng)，因此在浮力,、重力和表面張力三方博弈下,，麥圈的一部分最終還是會(huì)浮上水面，但麥圈周圍的水面則仍然呈現(xiàn)為向上彎曲的曲面,，說明表面張力試圖把麥圈“拉下水”的勁頭依然存在（需要指出,，這里我們用定性分析得出液面彎曲方向是便于理解的做法。在實(shí)際研究中,，需要用到多個(gè)界面的表面張力與物體性狀等參數(shù),，通過定量計(jì)算得出液面彎曲的方向）。接下來,，設(shè)想這個(gè)浮在水面的麥圈附近又出現(xiàn)了一個(gè)麥圈,，在它周圍同樣形成了向上彎曲的水面。顯然,，它們兩者之間的水面呈現(xiàn)馬鞍形,，這里又出現(xiàn)了大自然不喜歡的多余表面積。于是,，表面張力就會(huì)試圖縮小這個(gè)馬鞍形的水面,，并在水平方向上產(chǎn)生分力，結(jié)果就是把兩個(gè)麥圈越拉越近,。而兩者距離越近,，馬鞍形的水面就越顯得凹陷，而表面張力在水平方向上的分力也就越強(qiáng),。于是,，兩個(gè)麥圈便加速接近，直至完全接觸,。不難看出,，麥圈效應(yīng)是液體表面張力與重力、浮力共同作用的結(jié)果。與麥圈類似,，密度小于水的氣泡,、油滴在水面的聚集現(xiàn)象，也是基于相同的原理,。不過,，問題到這里還不能結(jié)束，因?yàn)槲覀冞€有另外一半的謎團(tuán)尚未揭開,。上面我們提到，浮在水面上的硬幣,、曲別針等物體也會(huì)相互聚集,，出現(xiàn)麥圈效應(yīng)。但是,，這些物體的密度明顯大于水,，根據(jù)阿基米德原理，它們應(yīng)該沉到水底才對(duì),，為什么反而會(huì)浮在水面呢,？這其中的“貓膩”仍然來自于水的表面張力。當(dāng)我們把這樣的重物放到水面上時(shí),，立即便會(huì)迅速下沉,。而這意味著原本平直的水面在重力作用下向下凹陷。于是,，表面張力又會(huì)在第一時(shí)間跳出來“干預(yù)”,。只不過這一次，表面張力不再是阻止物體上浮,，而是阻止物體下沉,，試圖讓水面恢復(fù)水平。如果重物尺寸很大,，例如一大塊鋼板,，那表面張力所提供的阻力相當(dāng)微弱，可謂“螳臂擋車”,，物體仍然免不了沉沒的命運(yùn),。但對(duì)于硬幣、曲別針這樣的小物體,，表面張力的力量是相當(dāng)可觀的,，很多時(shí)候可以完全彌補(bǔ)浮力的缺口，使得物體的受力平衡,。于是,，如果我們小心地把一枚硬幣緩緩放在水面上,，本應(yīng)下沉的它就有可能穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)仄∑饋怼６谟矌胖車?，水面就保持了向下彎曲凹陷的狀態(tài),。當(dāng)然，如果我們把這樣浮在水面上的硬幣推進(jìn)水里,，由于失去了表面張力的“暗中相助”，硬幣就會(huì)徑直沉入水底,。如果向水中加入洗滌劑,，原本漂浮的硬幣也會(huì)下沉。這是由于洗滌劑中的表面活性劑能夠顯著降低水的表面張力,，打破了物體的受力平衡,。與麥圈相似，我們再來做個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：要是在一枚浮在水面上的硬幣附近再放上一枚硬幣,，又會(huì)出現(xiàn)什么情況呢,？不難想象，兩者之間的水面呈現(xiàn)橢球型,，而表面張力又會(huì)試圖拉近它們的距離,，最終讓兩枚硬幣聚到一起。不過,，如果出現(xiàn)在這枚硬幣周圍的不是另一枚硬幣,，而是一個(gè)麥圈呢？這時(shí)候,，傾向于下沉的硬幣遇到傾向于上浮的麥圈,，由于麥圈周圍的水面是凸起的，所以硬幣會(huì)選擇遠(yuǎn)離麥圈,！也就是說,，麥圈和硬幣雖然都浮在水面，但彼此之間不僅不會(huì)聚集,，反而會(huì)互相排斥,。因此，麥圈效應(yīng)不僅能發(fā)生在密度小于水的物體之間,，也可以發(fā)生在密度大于水的物體之間,，還能夠發(fā)生在兩者之間。它既可以表現(xiàn)為互相吸引,，也有互相排斥的一面,。要想理清其中的規(guī)律，我們可以借用描述電荷之間作用力的八字口訣,，只不過在這里,，浮在水面上的物體之間不是“同性相斥,、異性相吸”，而是“同性相吸,、異性相斥”,。如果兩個(gè)物體浮在水面上造成的液面彎曲方向相同，例如同為密度大于水,，它們就會(huì)相互吸引,；相反，如果這兩個(gè)物體造成的液面彎曲方向相反,，它們則會(huì)互相排斥,。由于液體表面張力的作用，密度大于液體的物體也有可能浮在液面上,，這些物體之間同樣會(huì)由于彎曲的液面而互相吸引,。
到這里，我們對(duì)麥圈效應(yīng)有了更加深入的了解,，不過問題仍然沒有結(jié)束,。如果我們仔細(xì)觀察，還會(huì)注意到浮在液面上的物體不僅互相聚集,，有時(shí)還會(huì)聚集在液面的邊緣,，看起來像是被杯壁所吸引。這也是麥圈效應(yīng)的一種表現(xiàn)形式,。聰明的讀者可能已經(jīng)猜到,，這種現(xiàn)象的幕后推手仍然是表面張力。當(dāng)我們把一滴水放置到固體表面時(shí),，如果水滴體積比較小,，那么水滴受重力的影響通常可以忽略不計(jì),。此時(shí)唱主角的主要是兩種作用力,。首先是水分子之間的互相吸引，即我們之前提到的水的表面張力,，它會(huì)使水滴傾向于保持球形,；其次是水分子與固體表面的分子或原子之間的相互吸引，與液體表面張力完全相反,，這種力量會(huì)促使水滴打破球形,，傾向于在固體表面形成一層水膜。由于水分子與不同的固體分子之間作用力的強(qiáng)度不盡相同,，因此水滴在不同固體表面的狀態(tài)也有所區(qū)別,。對(duì)于金屬、潔凈的玻璃等固體表面,，液滴與固體分子的吸引力通常占據(jù)上風(fēng),，即具有親水性,。因此水滴不再能夠保持自身的球形，而是在固體表面一定程度地鋪展開,。對(duì)于這種情況,，我們稱之為水能夠潤濕固體。同樣的道理,，如果我們把水倒入玻璃杯中,，液面本來應(yīng)該與杯壁垂直相交。但由于玻璃能夠被水潤濕,，水會(huì)盡可能多地接觸玻璃,。因此，原本水平的液面會(huì)向上彎曲,，形成一個(gè)邊緣凸起的液面，這被稱為彎月面,。事實(shí)上,，潤濕作用不僅會(huì)使液面向上彎曲，甚至能夠讓液體克服自身重力,，讓液面升高,。這就是為什么當(dāng)我們把毛細(xì)玻璃管插入水中時(shí)，管內(nèi)的液面可以顯著高于管外,，這就是能讓液體逆重力上升的毛細(xì)現(xiàn)象,。如果液體能夠潤濕固體，杯壁附近液面向上彎曲（左）,；反之,，液面向下彎曲（右）。
如果我們在靠近玻璃杯壁的水中放上一個(gè)麥圈,。那么,，傾向于上浮的麥圈便會(huì)沿著杯壁附近液面向上彎曲的方向移動(dòng)，直至與杯壁相遇,。這就是為什么在牛奶中倒入麥圈時(shí),，一部分麥圈相互吸引聚集到中間，而另一部分麥圈則被杯壁吸引聚集到周邊,。但是,，如果我們在靠近杯壁的水面上放上硬幣等密度大于水的小物體，由于它們傾向于下沉,，因此會(huì)和杯壁互相排斥,，移動(dòng)到遠(yuǎn)離杯壁的地方。物體與容器壁的相互吸引或者排斥與物體之間相互作用一樣,，都是液體表面張力導(dǎo)致液面彎曲的結(jié)果,。只不過杯壁處液面的彎曲并非由于物體的沉浮,，而是潤濕的結(jié)果。如果我們把玻璃杯換成聚四氟乙烯（特氟龍）做的杯子,，會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢,？與金屬、玻璃等材料不同,，聚四氟乙烯分子與水分子的吸引力比較弱,，即具有疏水性。因此,，在它的表面,，水滴會(huì)盡量保持球形。對(duì)于這種情況,，我們稱之為水不能潤濕固體,。此時(shí)，原本平直的液面也會(huì)在與杯壁交匯處發(fā)生彎曲,。只不過彎曲方向不是向上,，而是向下，從而讓水分子盡量避免與聚四氟乙烯接觸,。此時(shí),，麥圈效應(yīng)完全掉了個(gè)兒：密度小于水的物體由于要沿著彎曲的液面向上移動(dòng)，因此會(huì)與杯壁互相排斥,，而密度比水大的物體反而會(huì)被杯壁吸引,。接下來讓我們再做一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將這個(gè)聚四氟乙烯杯子的外壁貼上一層鋁箔，然后讓鋁箔和杯中的水分別與電源的兩極相連,。由于聚四氟乙烯不導(dǎo)電,，它在內(nèi)外表面就會(huì)分別聚集正負(fù)電荷。它們之間的相互吸引會(huì)迫使水更傾向于在聚四氟乙烯表面鋪展,，甚至?xí)兊媚軌驖櫇窬鬯姆蚁?。像這樣液體在電場作用下，變得更加容易潤濕固體表面的現(xiàn)象叫做電潤濕,。通過電潤濕現(xiàn)象展示聚四氟乙烯容器壁與漂浮在液面上的物體之間的麥圈效應(yīng)：a. 電潤濕關(guān)閉時(shí),，水不能潤濕容器壁，因此容器壁吸引密度大于水的小球（虛線圈出）,，排斥密度小于水的小球,；b. 電潤濕開啟時(shí)，水能夠潤濕容器壁,，此時(shí)容器壁吸引密度小于水的小球,，排斥密度大于水的小球。
電潤濕發(fā)生后,，麥圈效應(yīng)會(huì)如何變化,？不難想象,，由于杯壁處液面彎曲方向變化，密度大于水的物體會(huì)被內(nèi)壁“一把推開”,，而密度小于水的物體則被內(nèi)壁“擁入懷中”,。不過，萬變不離其宗,，兩者之間的作用力始終符合我們之前總結(jié)的同性相吸,、異性相斥的規(guī)律。無論什么自然現(xiàn)象,，科學(xué)家們在弄清了它的成因后,，往往并不滿足于此，而是繼續(xù)探究這種現(xiàn)象能夠給我們的工作與生活帶來怎樣的幫助或啟發(fā),。同樣,，對(duì)于麥圈效應(yīng)，我們也不妨追問一句：這種現(xiàn)象有什么用呢,？首先,，麥圈現(xiàn)象或許能夠?yàn)槲覀兲峁┮恍┬碌牟倏匚矬w的手段。一個(gè)典型的例子是來自美國匹茲堡大學(xué)的一項(xiàng)研究,。他們將一艘由泡沫塑料制成的小船漂浮在一個(gè)矩形水槽的液面上,，水槽的內(nèi)表面涂有一層聚四氟乙烯,。由于泡沫塑料的密度要小于水,，我們不難判斷，不能被水潤濕的聚四氟乙烯會(huì)對(duì)這艘小船產(chǎn)生排斥作用,，讓小船停留在遠(yuǎn)離兩側(cè)的水面的中心線處,。接下來，研究人員將小船前方兩側(cè)的水槽側(cè)壁置于電場作用下,，利用剛才提到的電潤濕效應(yīng)讓聚四氟乙烯變得能夠被水潤濕,。于是，前方的水槽側(cè)壁將會(huì)對(duì)小船產(chǎn)生吸引力,，小船就能在這個(gè)力的作用下前行,。接下來，只要不斷接力,，保持小船兩側(cè)電潤濕關(guān)閉,，前方側(cè)壁電潤濕開啟，小船就可以不斷向前行駛啦,。通過電潤濕效應(yīng)驅(qū)動(dòng)小船行駛,。圖中白色標(biāo)尺表明水槽側(cè)壁中電潤濕開啟的部分。利用類似的原理還能制造基于電潤濕的微型馬達(dá),。
麥圈效應(yīng)還有助于我們更好地了解某些昆蟲的習(xí)性,。水蝽等昆蟲以在水面上生活而聞名,。它們的密度大于水，按理說應(yīng)該沉入水底才對(duì),。但得益于水的表面張力,，它們能夠浮在水面上行走并捕捉獵物。然而,，當(dāng)水蝽試圖上岸時(shí),，表面張力卻從助力變成了羈絆。這是因?yàn)樵谧匀唤缰?，岸邊總是能被水潤濕的,，也就是說水面向上彎曲。而利用表面張力方可漂浮的水蝽,，其周圍的液面總是向下凹陷的,，因此會(huì)受到岸邊的排斥，讓它們很難爬上陸地,。不過,，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些昆蟲在漫長的進(jìn)化過程中已經(jīng)找到了應(yīng)對(duì)之策,。當(dāng)它們想上岸時(shí),，會(huì)用前后的兩對(duì)足挑起水面，使水面向上彎曲,，從而受到岸邊的吸引,。當(dāng)然，為了保持身體受力平衡,，它們中間一對(duì)足需要向下按壓水面,，提供浮力。不過,，由于漂浮在水面上的物體與容器壁之間的作用力的大小隨著二者距離的增加而迅速降低,，水蝽受到岸邊的吸引力要更為顯著，從而使得它們能夠輕松地浮上彎曲的水面到達(dá)陸地,。目前,，不少研究人員試圖模仿這些昆蟲，開發(fā)能夠在水面上行走的小型機(jī)器人,。理解它們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)麥圈效應(yīng),，無疑能夠讓我們更好地完成這一任務(wù)。讀到這里,，大家是否覺得麥圈效應(yīng)既有趣也很有用,？生活中遇到的不少現(xiàn)象，初看起來平淡無奇，細(xì)究之下卻蘊(yùn)含著復(fù)雜的原理,。除了麥圈效應(yīng),，或許還有很多值得我們?nèi)グl(fā)掘的奇妙現(xiàn)象。
|
