如果您早餐喜歡在吐司上塗蜂蜜，那麼您已經準備好進行流體物理學中最簡單、最美麗的實驗之一。 將勺子插入蜂蜜罐中，取出，然後垂直握住，在吐司上方幾厘米處。 落下的稀薄蜂蜜流不會直接接近吐司，而是會形成一個旋轉的螺旋結構。 在 1950 年代後期，由於它與一堆盤繞的繩索相似，這種現象的首批研究者喬治·巴恩斯和理查德·伍德科克將其稱為液體繩索盤繞效應。
我們三人長期以來一直對這種效應著迷，但直到 10 年前，里貝和邦恩在巴黎的一次科學研討會上偶然發現了他們共同的興趣，才找到機會對其進行研究。 當時，邦恩與伊朗贊詹基礎科學高級研究院有合作關係，因此我們邀請了哈比比和其他幾位成員——包括在不同時期加入的拉明·戈萊斯塔尼安、瑪尼亞·馬雷基、亞西爾·拉赫馬尼和賽義德·侯賽因·侯賽尼——來完成團隊。
我們共同開發了早餐桌實驗的受控版本，使用矽油而不是蜂蜜，因為矽油具有廣泛的粘度範圍。 粘度是衡量液體有多稠的指標——它在多大程度上因內摩擦而抵抗流動。 通過我們的儀器，我們改變流動條件（例如液體向下流動的速率和液體滴落的高度），並觀察它們如何影響盤繞頻率（下降的液柱纏繞的速度）。
支持科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮通過以下方式支持我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。 通過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的新發現和想法的具有影響力的故事的未來。
當我們開始時，我們預計盤繞是一個非此即彼的事情，取決於實驗條件，要么發生，要么不發生。 因此，我們完全沒有準備好迎接我們發現的豐富的意外行為。 例如，對於較慢的流速，我們發現液體下落得越遠，盤繞速度就越慢。 然而，對於更高的流速，我們發現情況恰恰相反：隨著下落高度的增加，頻率也迅速增加。 此外，當下落高度固定在某個值時，盤繞繩索會在兩種具有不同頻率的狀態之間以看似隨機的方式來回跳躍。
在進行實驗的同時，我們開發了一個數學模型來確定起作用的基本原理。 起點是牛頓運動定律，以適用於細長液體繩索的形式書寫，其長度遠大於其直徑。 有兩種主要類型的力作用在任何一段這樣的繩索上：重力的向下拉力和內部的粘性或摩擦力。 繩索可以通過三種不同的方式變形——拉伸、彎曲和扭曲——並且每種變形都具有相關的粘性力來抵抗它。 繩索的形狀取決於所有這些力的相對大小以及液體的慣性（即質量乘以加速度）。 對於許多其他流體流動很重要的表面張力，在這裡被證明只有很小的影響。
求解方程式被證明是具有挑戰性的。 在大多數物理教科書問題中，系統的邊界是指定的，學生的任務是確定邊界內發生的事情。 相比之下，液體繩索盤繞是物理學家所說的“自由邊界”問題，其中邊界的形狀是我們試圖解決的問題的一部分。 小心謹慎地，我們能夠證明高粘度液體中的盤繞可以以四種不同的模式發生，每種模式都涉及不同的力平衡。
螺旋氣泡波
在繪製出盤繞的一般類型後，我們認為我們已經有了相當完整的圖景——但我們錯了。 進一步的實驗，以探索性的方式進行，沒有先入為主的想法，揭示了非凡的新現象。
第一個是在從盤繞繩索散開的薄液體層中出現了美麗的螺旋狀氣泡波。 當繩索的連續環略微錯開時，就會形成它們，從而捕獲小的氣穴。 然而，我們仍然不明白為什麼螺旋線具有它們所具有的精確形狀，或者為什麼它們僅在狹窄的液體粘度、流速和下落高度範圍內發生。
我們還使用了粘度低得多的矽油。 這些液體的盤繞速度更快——高達每秒 2,000 次——因此我們需要高速攝像機來記錄它們的行為。 液體可以以更複雜的方式盤繞甚至折疊。 如果不被打擾，給定的狀態會無限期地持續下去，但如果我們用指關節用力敲擊儀器，它就會突然切換到另一種狀態。
在所有上述實驗中，稀薄的液體流都落在靜止的表面上。 但是，如果表面和液體源相對於彼此移動，則可能會產生新的影響——正如傑克遜·波洛克在他的行動繪畫中所觀察到的，以及紡織品製造商使用熔融聚合物線所觀察到的那樣。 我們的同事基思·莫法特、桑尼·邱-韋伯斯特和約翰·李斯特，當時都在劍橋大學，使用一種相當於液體縫紉機的裝置對這些情況進行了實驗，該機器將單根粘性液體線擠出到以恆定速度移動的水平帶上。 在高速下，拖曳的線在帶子上留下直線軌跡。 但是，隨著帶子速度減慢，會出現更複雜、不穩定的模式，例如蜿蜒、交替環、雙重盤繞甚至 W 形。
在我們完全理解液體繩索之前，我們還有很長的路要走。 當務之急是了解螺旋氣泡波背後的物理機制。 為什麼線圈的中心開始在一個單獨的軌道上移動？ 另一個目標是對較低粘度液體中發生的複雜二次盤繞進行建模。 我們還計劃將我們的探索範圍擴展到更奇特的系統，包括對外力具有非標準響應的複雜流體，以及在電場中以微米和納米尺度盤繞的帶電液體。 從我們過去的經驗來看，還有更多的驚喜在等待著我們。