无需月光宝盒,洗洁精也能「回到过去」

作者: Shiny & Tom

来源: 中科院物理所

发布日期: 2019-10-05 13:12:51

本文介绍了一个利用洗洁精和食用色素进行的有趣实验,通过转动离心管使色素在洗洁精中呈现“时光倒流”的现象,展示了层流运动的原理。

生活中总有那么几个瞬间让人无比地想回到过去,哪怕只有几分钟。科学的力量是强大的,学会今天的实验,你就能掌握回到过去的本领(洗洁精限定)。实验器材包括所标杯、烧杯、纸板、双面胶、滴管、六角螺栓、L型六角扳手、洗洁精、食用色素、剪刀、离心管。首先在大烧杯内倒入洗洁精待用,静置一段时间等气泡逸出。

然后剪出一个与烧杯口大小相似的圆形纸板,在纸板的中心和偏心的地方分别打两个孔,在离心管的盖子上也打一个孔,用螺栓将纸板和离心管连接起来。在纸板四周粘上双面胶,将整体放进烧杯内。在另一个小烧杯内倒入少量洗洁精,再加入几滴食用色素,充分混合后用滴管吸取少量混合物,从纸板偏心的孔内滴入烧杯内。

之后用六角扳手转动离心管,注意速度不能太快,混有色素的洗洁精随着离心管的转动而铺展为带状,这时候我们反向转动扳手,发现色素竟然恢复了原来的水滴状。实验装置如下图,烧杯里所放的洗洁精是一种很粘稠的流体。加入色素是为了更清楚地观察洗洁精的流动情况。

当离心管朝着某个方向转动一定角度再反方向转动相同角度后,色素先是从一开始的块状被拉扯成带状,之后又从带状回到块状的初始状态,这个过程就好像发生了“时光倒流”。这种现象的发生,来源于洗洁精的层流运动。层流是指流体质点具有规则的光滑曲线的运动轨迹的流动。实验表明,流体的流动有两种流态,层流和湍流。

它们的发生与雷诺数息息相关,雷诺数反映了惯性力与粘性力的比值,雷诺数越小,粘性力越大,惯性力在计算时可以忽略,流动更趋向于稳定。我们可以用流体力学中圆形套管间的粘性流动来对实验装置做一些计算,根据流体力学的理论,可以计算出两套管间的流体速度分布为:从计算结果能够看出,距离离心管越远,流动的速度越慢,所以,为了获得更加明显的实验效果,可以将色素尽量滴在靠离心管的位置。

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