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在吹泡泡史上,这些科学家留有姓名_牛牛百人版

2020-05-22 新闻来源:双子塔首页 围观:12
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番笕泡从吹出到碎裂,仅存在寥寥几秒。但在历史长河中,却有无数学者沉醉于这转瞬即逝的魅力,试图解答泡泡所带来的迷思。

外表张力与长命泡泡

英国试验物理学家波易斯,设想过一个也许是受众最广的番笕泡试验。

1889年圣诞节时期,他举行了频频公然演讲,给青少展现番笕泡试验。个中一个试验是如许的:把一个圆环放在番笕水中一抄,就构成了一层番笕膜;假如在环中系上一根线(而且个中一段是双线),就会构成三个膜,把双线中的膜捅破,双线包裹的面积就天然地构成了一个圆形。

两根线被拉成圆形蕴含了深入的数学和物理 | 《番笕泡和构成它们的力》

这一试验直观地演示了外表张力使液体外表积到达最小的历程,这也是空中番笕泡成为球形的缘由。

但外表张力关于番笕泡的意义,远不止于此――它但是番笕泡的救命稻草。当番笕泡的液膜遭到扰动而部份变薄时,这部份地区外表张力会变大,并对四周液体发作更大拉力。因而,液体会被天然拉向变薄处,完成自我修复。这类征象名为马拉高尼效应(Marangoni Effect)。

看似软弱的番笕泡,时时刻刻都在冒死对自身修修补补,想一想有些悲壮…… | pixabay

低温气体的研讨前驱詹姆斯・杜瓦,以发清楚明了保留液态氛围的杜瓦瓶闻名于世。在人生的末了20年,他沉浸于番笕泡外表张力的研讨。

他制造了一个惊人的纪录。通过把泡泡经心保留于特制瓶中,削减与氛围杂质的打仗,杜瓦将一个泡泡保留了三年

想必,瓶中的泡泡也在感受着马拉高尼效应的气力。

那里都有牛顿

不过番笕泡最让人入神的,照样那幻化不定的颜色。

阳光下的泡沫,为啥是彩色的?这个问题的答案来自于牛顿。

牛顿终身,光辉灿烂,数学、力学、光学、天文,周全着花。而在其光学成就中,有一项名为“牛顿环”的研讨成果,能够诠释泡泡为何五彩斑斓。

番笕膜自身是无色的。阳光在番笕膜的高低两个外表离别反射,并发作过问。阳光是由差别波长的可见光构成。在膜的某一处,正好两束反射光中红光互相抵消,这处就显现蓝绿色;在另一处,红光又大概取得增强。再有,番笕膜的厚度并不匀称,并跟着气流、重力的扰动,膜厚度也一向变化。因而,全部番笕泡就显现出了不停变更的五彩斑斓。水面上漂泊的油膜,镜片或珍珠的外表都邑涌现这类征象。

镜片上发作的牛顿环征象 | wiki

老勋爵的问题

固然,牛顿并非靠吹泡泡发明牛顿环的。不过,却是有不少学者在吹番笕泡中发明了新天地。

热力学奠基人,英国物理学家开尔文勋爵,就是个中一名。

开尔文曾说:“假如你吹一个番笕泡并举行视察,你能够对它举行终身的研讨,并从中取得一个又一个物理定律。” 1887年,开尔文的侄女特地到乡间去探望这位老爵士。翻开大门,面前的画面是这位大学者在开心肠吹着泡泡。

着迷于番笕泡的开尔文勋爵,曾提出过一个问题:假如将空间划分红许多个部份,保证打仗面积最小,这些部份应当是什么外形?

这个问题被后代称为“开尔文问题”。

在二维平面中,开尔文问题已被蜜蜂解答了。六角形的蜂巢构造,就是平面上效力最高的聚集体式格局。固然,蜜蜂们没有什么数学基本,它们这么筑巢,只是为了省点蜂蜡――这就是大天然的伶俐!

至于三维空间的开尔文问题,老勋爵自身给出的答案是截角八面体,它由八个正六边形和六个正方形构成。

开尔文以为,用这类构造添补空间最为高效。这个答案明显遭到了番笕泡的启示。

截角八面体(6个正方形和8个正六边形构成)和其空间排布 | wiki

虽然开尔文对他的这一说没有给出严谨的证实,但在随后100多年里,大部份人置信出题人的回覆就是这一问题的最优解。

逾越开尔文――威尔�D弗兰气泡

直到1993年,开尔文的泡泡破了。

爱尔兰物理学家丹尼斯・威尔罗伯特・弗兰提出了一种新设想,逾越了开尔文构造。

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这类名为“威尔�D弗兰气泡”的构造,包括12面体和14面体两种单位。用威尔�D弗兰气泡添补空间,能够比开尔文的要领勤俭0.3%的质料

威尔-弗兰气泡构造 | wiki

值得一提的是,威尔-弗兰气泡恰是北京奥运会泅水中间(水立方)的设想灵感。由于自创了这一模子,大大削减了“水立方”须要的钢材数目,全部修建主体只用了6700吨钢构造就建成了(和一般程度比拟,节省了若干?)。

水立方自创了威尔-弗兰气泡模子 | wiki

不过,威尔-弗兰气泡是不是为 “开尔文问题”的终究解,我们如今也不能下定论,只能寄希望于那些吹着泡泡的科学家们多多加油。

普拉托也有一个问题

和开尔文一样,比利时物理学家普拉托也是一名着迷吹番笕泡的巨匠,他以至写下了长达450页关于泡泡的专著《仅在于份子作用力下的液体静力学和试验》(Statique expérimentale et théorique des Liquides soumis aux seules Forces moléculaires,1873)。

普拉托也在吹泡泡中发明了一个问题:在数学上在给定边境曲线的情况下,怎样求出最小曲面。这一问题也被命名为“普拉托问题”。

为了解答这一问题,须要涉及到多少学的许多深邃理论。但在生活中,只需你拿个铁丝弯成边境,沾点番笕水,你吹出的泡泡就是普拉托问题的解。

固然,科学家不会就这么满足,他们盼望来自数学的严谨证实,以至还把普拉托问题生长到了高维空间。这类寻觅“极小曲面”的研讨,吸引着一批又一批卓越的思想。

2019年,被誉为“数学范畴诺贝尔奖”的阿贝尔奖授与了美国数学家卡伦・乌伦贝克。趁便说,这也是初次有女性数学家取得该奖。

作为当代多少剖析的奠基人之一,乌伦贝克最著名的事情就是对极小曲面的研讨。谁知道呢,没准儿她私底下也在吹着泡泡。

阿贝尔奖首位女性得主乌伦贝克(Karen Uhlenbeck) | The University of Texas at Austin

对番笕泡的研讨,科学家从未住手。

从泡泡中延伸出的科学问题不仅局限于数学和物理。与番笕膜类似的生物膜、材料科学中的泡沫构造、工程科学中的充气薄膜构造……无一不是值得投入一生心血的研讨对象。

研讨者们日思夜想的科学困难和夏季午后孩童吹出的五彩斑斓,一样值得追逐和浏览。

番笕泡的研讨故事在继承。吹泡泡的人一向都在。

作者:下雪 圆的方块

编辑:圆的方块 麦芽杨

排版:雷颖

题图泉源:pixabay

参考文献:

[1]武际可.从吹番笕泡提及[J].力学与实践,2005(06):86-88.

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-019-00932-1

[3]欧阳钟灿,刘寄星. 从番笕泡到液晶生物膜[M].长沙: 湖南教育出版社, 1994

[4]波易斯著;谈镐生等译. 番笕泡和构成它们的力[M]. 北京: 科学出版社, 1974

[5]https://zapatopi.net/kelvin/papers/on_the_division_of_space.html

[6]Weaire D , Phelan R . A Counterexample to Kelvin's Conjecture on Minimal Surfaces[J]. Philosophical Magazine Letters, 1994, 69(2):107-110.

[7]https://mathworld.wolfram.com/PlateausProblem.html

[8]https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/marangoni.html

[9]https://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/light/Newton's-rings.html

[10]http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/20099895978697247.shtm

[11]https://www.sohu.com/a/302780853_220095

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