顺时针混合在⼀起的颜料,逆时针转⼀转就分开了

作者: 窗敲⾬

来源: 酷炫科学

发布日期: 2022-10-25 16:00:35

视频展示了一个流体实验,通过圆筒的顺时针和逆时针转动,颜料先混合后分离,最终恢复原状。实验利用高粘度的玉米糖浆和染色液滴,展示了斯托克斯流现象,即在雷诺数非常低的条件下,流动几乎完全可逆。

这段视频展示的是⼀个很受欢迎的流体实验演示,随着圆筒的转动,其中的⾊彩看起来先混合之后⼜分离,最终似乎完全回到了原点。拍摄于宾夕法尼亚⼤学,视频录制者:oneXatXaXtime。

先来说⼀下这个实验的做法,在⼀个圆柱形容器中套着⼀个直径⼩⼀些、可以绕轴转动的圆筒。两个圆筒之间填充的液体通常是⽟⽶糖浆,这种东⻄有很⼤的粘度。注⼊到糖浆中间的彩⾊液滴主要成分依然是粘稠的⽟⽶糖浆,只不过⽤⾊素进⾏了染⾊。注⼊彩⾊部分之后,慢慢转动圆筒⼏圈使糖浆流动,接下来⼜反向转动,直到彩⾊部分看起来基本恢复原状。

不少地⽅都能看到类似的视频,但很多时候⻚⾯上并没有附带解释,只是打上了⼀个“层流”的标签。需要说明的是,这并不是普通的层流,⽽是⼀种层流的特殊情况,通常被称为斯托克斯流,或者蠕动流。视频中的这种现象只发⽣在雷诺数⾮常低的流动当中。雷诺数是这样⼀个物理量:它的⼤⼩可以体现在流动中惯性和粘性哪种因素的影响占主导地位。

如果惯性占主导地位(雷诺数⼤),那么流体就容易变得不稳定;⽽如果粘性占主导地位(雷诺数⼩),那么流体的流动就会趋于平稳。⼀般雷诺数在2000以下就是看起来⽐较平稳的层流了。⽽当雷诺数⾮常⾮常⼩(远⼩于1)的时候,流动中惯性的作⽤⾮常⼩,基本可以忽略不计。粗略地讲,可以把这看成⼀种稳到了极致的层流,只有在这种情况下流动⼏乎是完全可逆的。

雷诺数和流体的粘度是反⽐关系,⽟⽶糖浆的粘度相当⼤,因此雷诺数变得很⼩,得以出现这种⾮常平稳的特殊层流。不过这种现象并不是⾮要这么⾼的粘度才能达成。雷诺数同时还取决于流速以及流动的尺度,如果尺度⾜够⼩、流速⾜够慢,也可以满⾜斯托克斯流的条件(⽔也是可以的)。

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