液體繩捲

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液體繩捲rope coil)或稱為蜂蜜線捲honey coil),是指黏滯係數高的液體如果由適當高度流下,形成一細小的流動液柱,在流體接觸一平面時,時常會自行螺旋捲曲成為中空圓柱型的繩捲型態,故而因此得名。

因為液體繩捲很容易觀察到,卻是一個變化多端又牽涉到力學流體力學的複雜物理現象,所以時常被中學或大學的物理教師當作物理學的力學討論主題,以刺激年輕學生進行討論。曾被列入 2013年國際青年物理學家競賽(台北主辦)的題目。

繩捲現象的正式學術研究可以追溯到在1958年, 由巴恩斯 (Barnes) 與伍考克 (Woodcock) 兩人首先於美國物理期刊英语American Journal of Physics 發表『液體繩捲效應』 ( Liquid Rope-Coil Effect) 一文, 他們兩人認為,雖然整體而言,流體看起來是繞著一個垂直於接觸平面的軸線旋轉,但是液體粒子本身其實並沒有繞著軸旋轉。兩人以力學的角度,針對不同的變數對此一現象作系統性的討論。[1]

液體繩捲現象雖然常見,但是其實有許多變化,是個非常複雜的物理現象。簡單來說,落下的液柱會依照流體所受的重力摩擦力(黏滯力)、以及慣性之間如何保持平衡,而有四種變化模式: 黏滯模式。重力模式。單擺模式。慣性模式。[2]

一般而言,對於各種低黏滯流體現象,可以使用歐拉方程式進行為人接受的物理解釋,但是對於類似蜂蜜或是矽油等黏滯性大的牛頓流體而言,歐拉方程式便無法對於液體繩捲現象提供清楚的解釋,必須以流體力學方程式,配合高階的數學知識與電腦運算來描述黏滯流體的運動。因此反而無法獲得一個直接而清晰的物理解釋了。[3]

參考資料[编辑]

  1. ^ Barnes, Woodcock, Am. J. Phys, 26 (205) 1958
  2. ^ 來伯,哈比比,波昂,科學人雜誌 2014四月號
  3. ^ 陳義裕, 科學人雜誌 2014年四月號