發布時間:2025-10-22閱讀(3)
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馬格努斯效應是指一個旋轉的物體在流體中運動時,會受到一個垂直于運動方向和旋轉軸的力,這個力叫做馬格努斯力。這個效應在日常生活中很常見,比如足球運動員踢出的弧線球,或者棒球投手投出的曲線球,都是利用了馬格努斯效應。 馬格努斯效應的原理是什么呢?簡單來說,就是由于物體的旋轉,使得流體在物體兩側的速度不同,根據伯努利方程,這就導致了物體兩側的壓強不同,從而產生了一個垂直于速度方向的壓差力,也就是馬格努斯力。
那么,馬格努斯效應在微觀尺度上是否也存在呢?在實際實驗中發現,微觀尺度上的馬格努斯力非常小,甚至可以忽略不計。為什么會這樣呢?原因是,在微觀尺度上,流體和物體之間的相互作用很強,導致流體在物體表面形成了一層邊界層,這層流體和物體一起旋轉,并不產生任何剪切力。因此,實際上只有附著層外面的流體才能對物體產生馬格努斯力。但是這部分流體受到附著對邊界層的影響很小,所以馬格努斯力也很小。 那么,在微觀尺度上有沒有什么方法可以增強馬格努斯效應呢?答案是有的。最近有一篇論文發現了一種新的機制,叫做記憶誘導馬格努斯效應(memory-induced Magnus effect)。這種效應是在粘彈性流體中發現的。粘彈性流體是一種特殊的流體,它不僅具有粘性,還具有彈性。 粘彈性流體可以看作是由液態基質和固態網絡組成的復合材料。固態網絡可以是聚合物鏈、膠束、納米顆粒等等。當粘彈性流體受到外界擾動時,它會表現出一種延遲響應,也就是說它會記住之前受到過什么樣的擾動,并且在一段時間后才恢復到平衡狀態。這種延遲響應就是粘彈性流體的記憶效應。 那么,記憶效應和馬格努斯效應有什么關系呢?論文的作者通過理論分析和數值模擬,發現了一個非常有趣的結果。當一個旋轉的微觀顆粒在粘彈性流體中運動時,它會在流體中產生一個形變場,這個形變場反映了流體網絡的壓縮和拉伸。由于流體的記憶效應,這個形變場不會立即消失,而是會隨著顆粒的運動而移動。
當顆粒同時旋轉時,這個形變場就會和顆粒的運動方向產生一個夾角,從而導致了一個垂直于運動方向和旋轉軸的力,也就是記憶誘導馬格努斯力。這個力的大小和顆粒的旋轉速度、運動速度、以及流體的記憶時間都有關系。論文的作者還通過實驗驗證了這個效應,他們用磁場控制一些帶電的微觀顆粒在粘彈性流體中的運動和旋轉,并且測量了它們受到的馬格努斯力。他們發現,在粘彈性流體中,馬格努斯力比在牛頓流體中增強了大約一百萬倍! 這篇論文揭示了一種新的物理現象,也為微觀尺度上的粒子操縱提供了一種新的方法。我們可以利用記憶誘導馬格努斯效應來實現粒子的分選、導向、聚集等功能,也可以用它來創造和可視化一些異常的流動現象。這些都是非常有趣和有用的研究方向。 |
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