麦片放入有牛奶的碗里，会发生有趣的流体力学现象，你还不知道？

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每天早上有数百万个麦片在人们的碗里都会发生一种有趣的流体力学现象，当牛奶上面只剩下几块麦片时，它们往往会聚集在碗的中央或边缘，而不是分散在表面上。现在，布朗大学的一个研究小组，已经开发出一种方法来测量这种类型群集所涉及的力量。这是第一次在毫米/厘米尺度的物体上实验测量这些力。这项研究的意义远远超出了谷类食品碗，其结果可能有助于指导微型机器的自我组装，或设计在水中和水周围操作的微型机器人。

虽然已经有很多模型描述了这种“麦片效应”效应（Cheerios effect），但都是理论上的。尽管这是很多人每天都能看到的事情，而且对自组装等事情也很重要，但还没有人做过任何这种规模的实验测量来验证这些模型，这就是研究人员在这里能够做的事情，其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。麦片效应产生于重力和表面张力的相互作用，液体表面的分子倾向于粘在一起，在表面形成一层薄膜。麦片不够重，不足以打破牛奶的表面张力，所以它们漂浮在水面上。

然而，它们的重量确实在表面薄膜上造成了一个小凹陷。当一个凹坑离另一个足够近的时候，它们就会互相坠落，合并它们的凹痕，最终在牛奶表面形成簇。为了测试不同大小和重量范围内麦片相互吸引的强度，研究人员使用了一种定制的仪器，使用磁力来测量力。这项实验涉及两个麦片大小的塑料圆盘，其中一个包含一个小磁铁，漂浮在一个小水缸里。缸周围的电子线圈会产生磁场，可以将磁化的圆盘拉走，而另一个则固定在适当的位置。

通过测量磁盘开始相互偏离时的磁场强度，研究人员可以确定吸引力的大小。磁场提供了一种向这些物体施力的非机械方式，这一点很重要，因为测量的力类很小，所以如果我们身体接触这些身体，就会干扰它们的移动方式。实验表明，当圆盘放置在非常近的位置时，传统的相互作用数学模型实际上低估了吸引力强度。起初不确定发生了什么，直到注意到，随着两个圆盘越来越近，它们开始相互倾斜。

倾斜会使圆盘更用力地推动液体表面，这反过来又增加了液体向后推的力，这种额外推力导致两个圆盘之间的吸引力略有增加。模型还有一个不能满足的额外条件，那就是这个倾斜，当在模型中加入这一要素时，获得了更好的一致性，这就是在理论和实验之间来回奔波的价值。这些发现可能对微型机器和机器人的设计有用。例如，人们对使用小型蜘蛛状机器人进行环境监测很感兴趣，这种机器人可以在水面上滑行，这项研究揭示了这些机器人将会遇到的各种力量。
博科园｜研究/来自：布朗大学
参考期刊《物理评论快报》
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