振动频率|一艘反向漂浮的小船，颠覆了你对浮力的理解
小玩具船分别漂浮在悬浮液体的上下表面（图片来源：B. Apffel et al.）
编译 | 樊亦非
编辑 | 吴非
一只漂浮在液体表面的船没什么大不了 。 如果这些液体悬浮在空中 ， 就很神奇了吧？如果这艘船是头朝下漂浮 ， 岂不是让人惊掉下巴？
近期 ， 一群法国科学家就给我们变了这样一出“戏法” 。 他们不仅可以使一层粘稠液体悬浮于空中 ， 还可以使一艘小玩具船头朝下漂浮于液体底部 。 这项研究发表于《自然》杂志 。
通常来说 ， 大密度液体会沉于小密度液体下方 ， 例如油漂浮在水面之上 。 如果你向容器中先倒入一些油 ， 再向其中小心地注水 ， 便会看到较重的水逐渐穿过油层 ， 向下方蔓延 ， 直至完全沉到底部 。
类似地 ， 使刚体摆稳定的位置是将它垂直向下悬挂 。 当摆锤笔直指向上方倒置且其受力完全平衡时 ， 刚体摆也能处于稳定状态 。 但是 ， 一点点微小的干扰就会使摆锤向下摆动 ， 打破这种稳定 。
1951年 ， 诺奖得主 ， 发现超流体现象的苏联物理学家Pyotr Kapitsa发现 ， 以适当频率上下振动时 ， 摆锤能一直保持倒置的状态 ， 以他名字命名的Kapitza摆就此诞生 。 高频振动所引起的诸多物理效应逐渐引起了越来越多科学家的兴趣 。
Kapitza摆让巴黎高等物理化工学院的Emmanuel Fort获得了灵感：既然可以倒置摆锤 ， 为什么不可以倒置液体？
但是 ， 该选择哪种液体进行倒置呢？水容易产生波纹 ， 不够稳定 。 而密度大于水的甘油和硅油具有较高的粘度 ， 可以抑制波纹的形成 。
于是 ， 实验开始 。 Fort和同事们向装有硅油的容器中注入一个气泡 ， 再以100赫兹的振动频率使气泡被向下推动 。 对于每一个给定的振动频率 ， 均存在一个临界深度 。
在该深度以上 ， 气泡会浮至液体表面 。
在该深度以下 ， 气泡则会下沉 。
如果改变振动频率 ， 就可以改变临界深度 ， 进而控制气泡的运动 。
接着 ， 他们使沉底的气泡膨胀 ， 以此产生稳定的空气层 ， 从而使液体悬浮在空气层上方 。 振动还产生了稳定的压缩节奏 ， 使得悬浮液体保持完整的形态 。
这样一来 ， 便可悬浮约半升的液体 。 理论上 ， 只要振动频率足够高 ， 悬浮多重的液体都没问题 。
反向漂浮
事实上 ， 利用高频振动使液体悬浮并不是什么新鲜事 ， 其背后的原理也已为人所知 。 原来 ， 在振动系统中还存在一种特殊的时间平均力——振动力 ， 正是这种力造成了气泡在振动液体中下沉、流体浮于空气上方等等反常现象 。 振动力目前已应用于实际生活 ， 例如 ， 被用来实现多个物体的旋转自同步以及分离、运输物料 。
如今 ， Fort及其团队创造性地发现了振动力的另一项用途：让物体反向漂浮 。
不管是实验最初使用的小圆珠 ， 还是之后利用3-D打印机打印出的其他形状的塑料小船、鸭子和青蛙 ， 所有物体都能颠倒地漂浮在悬浮液体的底部 。 就连Fort也承认 ， 这是自己从未料想过的结果 。
对此 ， 他们提出了这样一种解释：当液体垂直振动时 ， 作用在液体上的重力以及作用在浸没物体和漂浮物体上的重力均会随着时间而振荡 。 颠倒漂浮着的物体浸没于悬浮液的体积也会随着时间而振荡 。 因此 ， 物体便会受到一个平均时间力 ， 这种力具有“反重力”的效果 。 与Kapitza摆类似 ， 这种振动系统的稳定状态对应着势能的最大值 ， 而非最小值 。 不过需要注意的是 ， 尽管小船漂浮的方向颠倒了 ， 但浮力的方向依然是向上的 。
此外 ， 对于不同质量的悬浮物体 ， 能实现其倒置悬浮的最低频率（即最小激发）也不同 。
总之 ， 这项研究通过一系列奇特的实验向我们证明 ， 位于液体和空气交界面的重物不一定会下落 ， 这为日后对液体边界行为的研究给予了启示 。
而振动系统的神秘面纱 ， 才刚刚揭开一角 。
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