自制盘绕液体

用一些家用物品观察一种奇特的流体现象

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当粘稠的液体(如蜂蜜)滴到表面时,它们会像自编织的篮子一样盘绕。您只需将一些蜂蜜倒在烤面包上,惊叹于由此产生的奇特图案。如果这激起了您的胃口(对科学的胃口),那么很容易进行更精细的实验,并观察液体盘绕的各种方式。收集以下设备

  • 1升粘稠的蜂蜜或糖浆

  • 1个空的半升塑料瓶,带螺旋盖

  • 一把钻头,用于在瓶盖上钻孔

  • 1个平底锅

  • 1个平底玻璃杯

  • 少量蜡或油灰

此外,以下设备将帮助您进行测量


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  • 1个网络摄像头或手机

  • 一叠薄书,约20厘米高

  • 1把尺子

  • 1个厨房量杯

  • 1块手表

  • 用于绘制x–y图的方格纸或计算机程序

  • 允许逐帧前进的计算机电影软件

作为一种流体,浓稠的糖溶液(如蜂蜜或玉米糖浆)效果很好。选择您在超市能找到的最粘稠(最浓稠)的蜂蜜或糖浆(不要走极端,选择几乎是固体的、必须用勺子舀出来的蜂蜜)。作为测试,快速将罐子倾斜约 45 度;蜂蜜或糖浆应在 10 到 15 秒左右调整到罐子的新方向。

为了控制流体的流动,请使用带螺旋盖的塑料瓶。切掉瓶子的底部,并在瓶盖上钻一个直径约为 3 毫米(约八分之一英寸)的孔。使用绳子将这个装置倒挂在晾碗架或其他支架上,使瓶子的切口端朝上。

为了形成流体将要盘绕的表面,将平底锅滑到容器下方,并将玻璃杯倒置在平底锅中,正好位于瓶盖孔的正下方。

要开始实验,请用一块蜡或软油灰堵住瓶盖上的孔。将糖浆几乎装满瓶子。当您准备好时,取下蜡或油灰,开始让流体流动。如果糖浆没有稳定地流动,请扩大瓶盖上的孔。不断向瓶子中添加糖浆以保持恒定的液位,这对于确保糖浆以稳定的速率流动非常重要。

一旦您对设置进行了一些练习,您就可以开始进行一些测量。使用网络摄像头或手机拍摄倒置玻璃杯平底上发生的情况的电影,确保至少捕捉到盘绕绳索的 10 圈。对于不同的下落高度 H(从瓶盖孔到玻璃杯的距离)重复该过程,可以通过在平底锅下滑动书本进行调整。每次添加或移除一本书时,用尺子测量 H

要测量流速,请用厨房量杯代替玻璃杯,并记录将其填充到一定液位所需的时间。

要确定给定 H 值的盘绕频率,请在计算机上逐帧前进电影,并计算盘绕绳索完成一定数量(五到十)圈所需的帧数。将经过的时间除以圈数,以获得盘绕周期 T 的估计值。然后,频率 f 只是 1/T。然后,您可以手动在方格纸上或使用计算机上的绘图软件绘制 f 作为 H 函数的图。我们建议在十几个不同的 H 值下进行测量,以便您可以观察出现的模式。

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