Эффект Cheerios - Cheerios effect

Демонстрация эффекта Cheerios с помощью монет. Отражения света показывают изогнутую поверхность воды вокруг монет. Несколько монет опустились на дно чашки, показывая, что эти монеты обычно не плавают.

В механика жидкости, то Эффект Cheerios это явление, которое происходит, когда плавающие объекты, которые обычно не плавают, притягиваются друг к другу. Смачивание, пример "эффекта Cheerios", когда сухих завтраков слипается или цепляется за стенки миски молоко. Он назван в честь обычных хлопьев для завтрака. Cheerios и это связано с поверхностное натяжение. Тот же эффект влияет на поведение пузырьков на поверхности безалкогольные напитки.^[1]

Описание

Такое слипание применяется к любому небольшому макроскопическому объекту, который плавает или цепляется за поверхность жидкости. Примерами таких объектов являются частицы волос в креме для бритья и пузырьки шипучего пива. Эффект не заметен на лодках и других крупных плавучих объектах, потому что сила поверхностного натяжения относительно мала в этом масштабе.

Объяснение

На стыке между жидкость и воздуха, молекулы жидкости подвергаются большим силам притяжения со стороны находящихся ниже молекул, чем от молекул воздуха. Этим силам противодействует притяжение молекул жидкости к поверхности контейнера. В результате поверхность жидкости образует мениск который экспонирует поверхностное натяжение и действует как гибкая мембрана. Эта мембрана может быть изогнутой с центром выше или ниже краев.

Притяжение создается не депрессией или холмами как таковыми, но объекты просто следуют по пути наименьшего сопротивления.

Объект, создающий холм, делает это потому, что он менее плотен, чем вода, но более плотен, чем воздух. На самом деле объект создает углубление не в воде, а в воздухе над ним. Подобно тяжелому мячу на холме из воздуха, объект упадет «вниз», потому что вся тяжелая вода «над ним» толкает его.

Притяжение между объектами, которые создают углубления, можно рассматривать как 2 мяча в батуте, между которыми есть своего рода холм, но они все равно падают друг в друга, потому что «холм» на противоположной стороне больше, чем в середине. Углубление видно только вокруг объекта там, где изгиб достаточно, чтобы быть заметным, но оно достигает краев контейнера.

Плавающий объект будет искать самую высокую точку мембраны и, таким образом, найдет путь либо к центру, либо к краю. Аналогичный аргумент объясняет, почему пузырьки на поверхностях притягиваются друг к другу: один пузырь локально поднимает уровень жидкости, заставляя другие пузырьки в этой области притягиваться к нему. Плотные предметы, например скрепки, могут лежать на жидких поверхностях из-за поверхностного натяжения. Эти предметы деформируют поверхность жидкости вниз. Другие плавающие объекты, которые стремятся утонуть, но сдерживаются поверхностным натяжением, будут привлечены первым.^[2] Объекты с неровным мениском также деформируют водную поверхность, образуя «капиллярные многополюсники». Когда такие объекты подходят близко друг к другу, они вращаются в плоскости водной поверхности, пока не найдут оптимальную взаимную ориентацию. Впоследствии они притягиваются друг к другу поверхностным натяжением.^[3][4]

Написание в Американский журнал физики, Доминик Велла и Л. Махадеван из Гарвардский университет обсудить эффект Cheerios и предположить, что он может быть полезен при изучении самосборка малых конструкций.^[5] Они рассчитывают сила между двумя сферы из плотность ${displaystyle ho _{s}}$ и радиус ${displaystyle R}$ расстояние плавания ${displaystyle ell }$ отдельно в жидкости плотности ${displaystyle ho }$ в качестве

${displaystyle 2pi gamma RB^{5/2}Sigma ^{2}K_{1}left({frac {ell }{L_{c}}}ight)}$

куда ${displaystyle gamma }$ поверхностное натяжение, ${displaystyle K_{1}}$ это модифицированный Функция Бесселя первого рода, ${displaystyle B=ho gR^{2}/gamma }$ это Номер облигации, и

${displaystyle Sigma ={frac {2ho _{s}/ho -1}{3}}-{frac {cos heta }{2}}+{frac {cos ^{3} heta }{6}}}$

является безразмерным фактором с точки зрения угол контакта ${displaystyle heta }$.Здесь ${displaystyle L_{C}=R/{sqrt {B}}}$ - удобная шкала длины мениска.

Смотрите также

• Эффект бразильского ореха
• Эффект попкорна на грохоты высокочастотные вибрационные

Рекомендации

1. "Ученые объясняют эффект Cheerio'". Новости NBC. Получено 2006-08-28.
2. Chan, D.Y.C .; Генри, J.D .; Уайт, Л. (1979). «Взаимодействие коллоидных частиц, собранных на границе раздела жидкостей». Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 79 (9): 410–418.
3. Stamou, D .; Duschl, C .; Йоханнсманн, Д. (2000). «Дальнобойное притяжение между коллоидными сферами на границе раздела воздух-вода: следствие нерегулярного мениска». Физический обзор E. 62 (4): 5263–5272. Bibcode:2000PhRvE..62.5263S. Дои:10.1103 / PhysRevE.62.5263.
4. Лукассен, Дж. (1992). «Капиллярные силы между твердыми частицами на границе раздела жидкостей». Коллоиды и поверхности. 65 (2–3): 131–137. Дои:10.1016/0166-6622(92)80268-7.
5. Vella, D .; Махадеван, Л. (сентябрь 2005 г.). "The Cheerios эффект". Американский журнал физики. 73 (9): 817–825. arXiv:cond-mat / 0411688. Bibcode:2005AmJPh..73..817V. Дои:10.1119/1.1898523.