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水中的小纸片能模拟《三体》中的曲率驱动? | 正经玩

2017-04-08 huashan 中科院物理所

   1. 先睹为快

这次的实验效果如下,具体步骤在下面。


致大朋友和小朋友


正经玩每周六上午会推送一个好玩的科学实验,可以由家长大朋友带着小朋友在家里动手操作。希望正经玩陪您度过每一个温馨的亲子周末,让小朋友的童年充满知识、爱和陪伴。

 ——正经玩 


2. 所需材料

画纸,铅笔,直尺,剪刀,烧杯,滴管,瓷盆(图中忘了加了“雕牌洗洁精”···)


3. 实验步骤

用直尺和铅笔在画纸上画出第一个动图中的纸片形状,

注意沟槽以及纸片尖角最好对称。


用剪刀沿上图画好的铅笔线剪成所需纸片的形状。


往烧杯中添加少量洗洁精。


往烧杯中添加小半杯水后用滴管搅拌洗洁精和水的混合液


在水龙头处往瓷盆里加入合适的水,就可以开始试验了。


4. 原理解析

我们知道,

著名的雷纳德-琼斯势是用来表征分之间作用力的一个非常好的模型

分子之间的距离大于平衡距离表现为引力,

分子之间的距离小于平衡距离表现为排斥力,

对于水来说,

内部水分子因为球对称,

水分子之间合力为零且为平衡距离。

但是界面处水分子对称破缺没有上层水分子斥力约束,

相比内部水分子更容易挥发而使表层水分子稀疏,

致使表层水分子之间表现为引力而呈现表面张力现象,

并且因为氢键的作用,

表面张力相比一般液体更强。

洗洁精等洗涤液体含有表面活性剂,

它由亲水基(极性基团)和 憎水基(非极性基团)组成,


当表面活性剂滴入水里时,

亲水基立马往里水结合,

憎水基往外。

从水的表面来看,

活性剂亲水基和内层水结合,

憎水基排斥表层水分子,

让表层水分子靠拢而引力作用力减小(表面张力减小)。

对于纸片来说,

表面活性剂沿着沟槽迅速向后排斥表层水分子,

根据牛三定律,

表层水分子对纸片有相反的作用力,

所以我们看到纸片向前冲。


-----------------我割-----------------


以上是经典微观解释,

但是我脑海灵光一闪,

我记得《三体》中描绘了曲率驱动璀璨的前景。

曲率驱动是说改变飞船后面空间曲率,

使空间烫平,

那么飞船就被曲率更大的空间拉过去。

我们假想水的表面看成宇宙,

水的表面张力看成空间曲率,

实验中纸片前面水的表面张力不变(空间曲率不变),

纸片后面加入表面活性剂后,

纸片表面张力变小(空间被烫平),

小纸船被前面表层水拉着往前冲(曲率驱动)。


-----------------我割-----------------


所以要想看到更好地效果,

首先纸片放入后要快速滴入洗洁精液,

千万不要等到纸片被浸润,

那就没什么效果了。

还有,纸片沟槽与尖角要尽量对称,

不然纸片反冲力会分散而且可能转向。


5. 上期回顾

NO.50 愚人节

01-玉霖实验的分享如下:


02-陈孝镟的分享如下:


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6. 往期精彩 

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