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Marangoni效應:智能液體會走迷宮

來源:酷(ku)炫科學(xue) 瀏覽 596 次(ci) 發布時間(jian):2022-10-24

我(wo)終于找到了有智能的液體(ti),還教會了它走迷宮!(此(ci)處嚴重誤)

其實是(shi)一個有(you)關(guan)表面張力的實驗,幾年(nian)前看(kan)(kan)到的時(shi)候(hou)就覺得很有(you)趣(qu),所以也(ye)自己實際(ji)試(shi)驗了一下。效(xiao)果遠不能說完美,不過大體(ti)確(que)實也(ye)有(you)那個意(yi)思了。大家先來看(kan)(kan)看(kan)(kan)視頻的效(xiao)果,后面有(you)解釋(shi)。

這個實驗(yan)里(li)的(de)迷宮是(shi)在一(yi)塊大橡皮上(shang)用雕刻刀(dao)挖出(chu)來的(de),里(li)面預(yu)先加的(de)白色(se)液體是(shi)牛奶。牛奶換成水應(ying)該也有同(tong)樣的(de)效(xiao)果,原實驗(yan)選擇它主要(yao)也是(shi)為了能看(kan)得(de)更清楚。

玄機主要在于后(hou)面(mian)滴加的(de)(de)染色液體上(shang)。可以看出,這個(ge)液體加到迷宮(gong)起點之后(hou)是會(hui)自(zi)動選(xuan)擇“正確的(de)(de)道路(lu)”來前進的(de)(de)。雖然液體加太多之后(hou)會(hui)溢出到其他死胡同(tong)的(de)(de)方向,但是液體前端剛剛到達分岔路(lu)的(de)(de)時(shi)候,可以明顯(xian)地(di)看到一個(ge)選(xuan)擇性拐彎的(de)(de)趨勢,就像(xiang)下面(mian)的(de)(de)動圖(tu)這樣:

實(shi)現這個(ge)效(xiao)果的關鍵就在(zai)于(yu)不平衡的表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力。滴(di)入(ru)的色素(su)液(ye)體(ti)是一(yi)種表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力更低的液(ye)體(ti)。此處為了(le)降低表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力,我在(zai)其中加(jia)入(ru)了(le)酒精。而牛(niu)奶主要成分都是水,表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力會比較高。

低表面張(zhang)力的液體(ti)滴(di)到高表面張(zhang)力的液體(ti)當中,由于表面張(zhang)力不平衡(heng),就(jiu)會帶動(dong)液體(ti)向(xiang)表面張(zhang)力高的一(yi)邊(bian)流動(dong),這種(zhong)現象(xiang)被稱為Marangoni效應(ying)。因為我滴(di)了(le)比較多的液體(ti)進去,藍色液體(ti)前進的動(dong)力肯(ken)定不只是表面張(zhang)力,但這個因素對液體(ti)“選(xuan)路”非常重要。

隨著流動和(he)擴散,藍色(se)部分的周圍也會形成一(yi)個(ge)表(biao)面張力(li)(li)的漸變梯度:靠近(jin)藍色(se)液體的部分雖然看起來還是白(bai)色(se),但也不是純粹的牛奶了,而(er)是混入了低表(biao)面張力(li)(li)的成分。越靠近(jin)藍色(se)部分表(biao)面張力(li)(li)會變得越低,越遠處受(shou)影響越小。

這個(ge)梯度的(de)存在就(jiu)會讓(rang)迷(mi)宮(gong)各條道路出現差異:正確的(de)道路盡(jin)頭總是(shi)離(li)藍(lan)色液(ye)體(ti)最遠,所以這個(ge)盡(jin)頭依(yi)然保(bao)持著比其他(ta)地(di)方更(geng)高的(de)表面張力(li)。表面張力(li)的(de)差異越大,液(ye)體(ti)流動(dong)的(de)動(dong)力(li)越大,因此液(ye)體(ti)就(jiu)會更(geng)傾向于(yu)流向“正確的(de)方向”,看起來就(jiu)像是(shi)學會了(le)走迷(mi)宮(gong)。

之前畫的(de)一個(ge)示意圖:

理論(lun)上說有表(biao)面張力(li)差異就(jiu)會(hui)導向這個結果(guo),但(dan)實際上要想(xiang)現象好看也不太容(rong)易。我配的這個液體如果(guo)只靠表(biao)面張力(li)帶動會(hui)流(liu)動比較(jiao)慢,所(suo)以多加了一些(xie),但(dan)是(shi)這樣就(jiu)會(hui)有些(xie)藍(lan)色液體溢(yi)出(chu)到(dao)其(qi)他不正(zheng)確的分支里面。原(yuan)實驗(yan)說是(shi)加了肥(fei)皂水之類的表(biao)面活性劑,不過我沒有進行這方面測試。

不(bu)(bu)是(shi)特別(bie)推(tui)薦的一(yi)個(ge)實驗(yan),做起來挺麻煩的,我開始單是(shi)思考如何做一(yi)個(ge)不(bu)(bu)漏水(shui)又(you)不(bu)(bu)太浪費牛奶的迷(mi)宮(gong)都想(xiang)了好久(jiu)……不(bu)(bu)過看(kan)看(kan)倒還算(suan)有趣。原版(ban)效果可以看(kan)這里→動圖欣賞:肥皂(zao)水(shui)也會(hui)走迷(mi)宮(gong)?