液体绳卷

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液体绳卷rope coil)或称为蜂蜜线卷honey coil),是指黏滞系数高的液体如果由适当高度流下,形成一细小的流动液柱,在流体接触一平面时,时常会自行螺旋卷曲成为中空圆柱型的绳卷型态,故而因此得名。

因为液体绳卷很容易观察到,却是一个变化多端又牵涉到力学流体力学的复杂物理现象,所以时常被中学或大学的物理教师当作物理学的力学讨论主题,以刺激年轻学生进行讨论。曾被列入 2013年国际青年物理学家竞赛(台北主办)的题目。

绳卷现象的正式学术研究可以追溯到在1958年, 由巴恩斯 (Barnes) 与伍考克 (Woodcock) 两人首先于美国物理期刊英语American Journal of Physics 发表‘液体绳卷效应’ ( Liquid Rope-Coil Effect) 一文, 他们两人认为,虽然整体而言,流体看起来是绕着一个垂直于接触平面的轴线旋转,但是液体粒子本身其实并没有绕着轴旋转。两人以力学的角度,针对不同的变数对此一现象作系统性的讨论。[1]

液体绳卷现象虽然常见,但是其实有许多变化,是个非常复杂的物理现象。简单来说,落下的液柱会依照流体所受的重力摩擦力(黏滞力)、以及惯性之间如何保持平衡,而有四种变化模式: 黏滞模式。重力模式。单摆模式。惯性模式。[2]

一般而言,对于各种低黏滞流体现象,可以使用欧拉方程式进行为人接受的物理解释,但是对于类似蜂蜜或是硅油等黏滞性大的牛顿流体而言,欧拉方程式便无法对于液体绳卷现象提供清楚的解释,必须以流体力学方程式,配合高阶的数学知识与电脑运算来描述黏滞流体的运动。因此反而无法获得一个直接而清晰的物理解释了。[3]

参考资料[编辑]

  1. ^ Barnes, Woodcock, Am. J. Phys, 26 (205) 1958
  2. ^ 来伯,哈比比,波昂,科学人杂志 2014四月号
  3. ^ 陈义裕, 科学人杂志 2014年四月号