水中的小纸片能模拟《三体》中的曲率驱动?

作者: huashan

来源: 中科院物理所

发布日期: 2017-04-08 09:50:56

本文介绍了通过一个简单的科学实验来模拟《三体》中的曲率驱动现象。实验使用画纸、铅笔、直尺、剪刀、烧杯、滴管和瓷盆等材料,通过在水中添加洗洁精,观察纸片在水中的运动。文章详细解释了实验步骤和背后的科学原理,包括表面张力和表面活性剂的作用,以及如何通过这些原理来模拟空间曲率的变化。

这次的实验效果如下,具体步骤在下面。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。

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”···)。

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。

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。

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)。

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。

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