'Cheerios效应'力量第一次直接测量

时间：2022-03-25 18:25:06 来源：

在一个可用于设计小型水产机器人的发现中，研究人员测量了导致小物体在液体表面上集成的力 - 一种称为“脉轭效应”的现象。研究人员使用定制的内置设备来测量使用磁力的力。

有一个有趣的流体动力学现象，每天早上发生在数百万谷物碗中。当只有几个谷物左侧漂浮在牛奶的顶部时，它们倾向于在碗的中间或周围的边缘中聚集在一起，而不是分散在表面上。

现在，布朗大学研究人员的团队制定了一种衡量这种类型聚类的力量的方法。研究人员说，这是第一次，即这些力量已经在毫米/厘米级的物体上进行实验测量。这项工作的含义远远超出谷物碗 - 结果可用于引导微磁素的自组装或设计在水周围运行的微观机器人。

“已经有很多模型描述了这种Cheerios效果，但这一切都是理论的，”伊恩·苏，棕色和铅作者的本科学生说，这是一个描述工作的纸张。“尽管这是我们每天都看到的事实，但对于自我组装等事情来说，这是一个很重要的，没有人在这种规模上做过任何实验测量来验证这些模型。这就是我们在这里做的事情。“

该研究发表于2019年12月19日的物理审查信中。何合着者是Giuseppe Pucci，棕色，棕色工程学院的助理教授Daniel Harris，Ad Grownpe Pucci是Giuseppe Pucci。

脉冲效果产生了重力和表面张力的相互作用 - 液体表面上的分子粘在一起的趋势，在表面上形成薄膜。像Cheerios这样的小物体不足以破坏牛奶的表面张力，所以它们漂浮。然而，它们的体重确实在表面膜中产生了小凹痕。当一个CareoIo Dent对另一个Careio Dent接近时，它们互相崩溃，并使他们的凹痕合并并最终在牛奶的表面上形成簇。

为了测试Cheerio尺寸和体重范围中的舍利和其他物体 - 相互吸引，研究人员使用了一种使用磁性来测量力的定制装置。实验涉及两个乐趣尺寸的塑料盘，其中一个含有一块小磁铁，漂浮在一小桶的水中。浴缸周围的电线箱产生磁场，可以将磁化盘拉开，而另一个安装在适当位置。通过测量磁盘的瞬间磁场的强度开始彼此远离移动，研究人员可以确定吸引力的量。

“磁场给了我们一种非力学的方式对这些体施加力，”哈里斯说。“这很重要，因为我们测量的力量类似于蚊子的重量，所以如果我们在物理上触摸这些机构，我们将会干扰他们移动的方式。”

实验表明，当磁盘定位在一起时，相互作用的传统数学模型实际上预测了吸引力的强度。起初，研究人员不确定发生了什么，直到他们注意到两个磁盘绘制更近时，他们开始倾斜彼此。倾斜使得盘在液体表面上更难以推动，这又增加了液体推回的力。额外的推动导致磁盘之间略微增加的吸引力。

“我们意识到，我们的模型并不令人满意，这是一个额外的条件，这是这种倾斜，”哈里斯说。“当我们补充说该模型的一个成分时，我们得到了更好的一致性。这是在理论和实验之间来回走动的价值。“

研究人员说，该研究结果可用于微观机器和机器人的设计。例如，有兴趣，在使用可以穿过水面上的小蜘蛛状机器人来做环境监测。这项工作揭示了这些机器人会遇到的种类。

“如果你有多个小机器移动到一个或多个机器人的腿，你需要知道他们互相发挥的力量，”哈里斯说。“这是一个有趣的研究领域，事实上，我们可以为其令人兴奋的事情贡献一些事情。”

参考：“浮盘之间的毛细血管吸引力的直接测量”由Ian Ho，Giuseppe Pucci和Daniel M. Harris，2019年12月19日，物理审查信.DOI：
10.1103 / physrevlett.123.254502

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