法国科学家尝试让液体悬空的新方法

northyork51

一层硅油在容器中悬空，液体中的空气气泡不是上升反而下沉，两艘模型小船同时漂浮在液体的上表面和下表面……

看到这幅奇景，牛顿和阿基米德的棺材板是不是压不住了？

根据9月2日晚间发表在《自然》（Nature）期刊上的一篇论文，巴黎文理研究大学的科学家们使用一种简单技巧就完成了这项反直觉的把戏：垂直振动。https://imagecloud.thepaper.cn/thepaper/image/86/428/620.png轻重倒置

悬空液体并非绝无可能，在表面积有限的细管中，我们可以欣赏到由毛细管力对抗重力的画面。

但对于摊开成一层的液体，根据常识我们知道，硅油液体的密度大于空气，正常情况下不可能悬浮在空中。

其实，将大密度的流体置于小密度的流体层上，会发生一种在流体力学上称作“瑞利-泰勒不稳定性”的现象，在重力加速度的作用下，重流体往往下沉为钉子状，而轻流体则呈现气泡状上升。如果对两层流体施加其他方向上的加速度，结果也相同。

这种不稳定性在一些天体物理过程和工业领域（例如惯性约束聚变、内燃机燃烧等）中都扮演了重要角色。

此前，已经有人提出几种可以将“瑞利-泰勒不稳定性”稳定下来的方法，比如温度阶梯、电磁场、旋转运动或垂直振动。

对垂直振动法而言，随着接触面积的增加，振动的幅度必须相应提高以保持稳定，但不能超过某个会触发另一种不稳定性——“法拉第不稳定性”的阈值。这个阈值同时受到流体粘度的影响，粘度越大，阈值就越高。

反常”现象

为了提高法拉第不稳定性阈值，法国研究团队选择了高粘度的硅油和甘油。它们将液体注入由有机玻璃制作的容器中，接着以一定的频率和振幅垂直振动容器，将空气注入容器底部，直到液体开始悬浮。

他们首先证明，只要垂直振动的幅度够大，任何体积的液体都可以在容器中悬空。实验使用的液体达到了半升，宽度为20厘米。调节适当的振动参数，液体下方的空气层被激发共振，扮演着类似于弹簧的角色，但又不至于触发法拉第不稳定性，液体则成了弹簧上方的负载。

这种方法对于悬空的液体层数也没有限制，可以一层空气、一层液体的方式叠加起来。https://imagecloud.thepaper.cn/thepaper/image/86/428/574.jpg除了“反重力”，研究团队发现垂直振动会导致其他一些“反浮力”现象。用针管注入空气后，液体下部的气泡会下沉而非上升，类似的现象已经用于鼓泡塔反应器中的气体保存和混合。此外，两艘模型小船同时漂浮在悬空液体的上表面和下表面。而根据著名的阿基米德原理，浸在流体中的物体受到竖直向上的浮力，其大小等于物体所排开流体的重力。

《自然》同期发表的一篇评论文章指出，该论文有助于未来进一步研究液体边界行为。这不仅仅只是一种海上奇景，或许在运输气体或流体中被困材料方面，具有实际应用意义。