Forskere måler direkte Cheerios -effektkræfter for første gang

Der er et interessant væskedynamikfænomen, der sker hver morgen i millioner af kornskåle. Når der kun er et par stykker korn tilbage, der flyder oven på mælken, de har en tendens til at klynge sig sammen i midten eller rundt om skålens kanter, frem for at sprede sig over overfladen.

Nu har et team af forskere fra Brown University udviklet en måde at måle de kræfter, der er involveret i denne type klynger. Det er første gang, siger forskerne, at disse kræfter er blevet eksperimentelt målt i objekter i millimeter/centimeters skala. Og konsekvenserne af arbejdet rækker langt ud over kornskåle-resultaterne kan være nyttige til at guide selvmontering af mikromaskiner eller til at designe mikroskala-robotter, der fungerer i og omkring vand.

"Der har været mange modeller, der beskriver denne Cheerios -effekt, men det hele har været teoretisk, "sagde Ian Ho, en bachelorstuderende på Brown og hovedforfatter af et papir, der beskriver værket. "På trods af at det er noget, vi ser hver dag, og det er vigtigt for ting som selvsamling, ingen havde foretaget eksperimentelle målinger i denne skala for at validere disse modeller. Det var det, vi kunne gøre her. "

Forskningen er publiceret i Fysisk gennemgangsbreve. Ho's medforfattere var Giuseppe Pucci, en gæsteforsker ved Brown, og Daniel Harris, en assisterende professor i Brown's School of Engineering.

Cheerios -effekten stammer fra vekselvirkningen mellem tyngdekraften og overfladespændingen - molekylers tendens på overfladen af ​​en væske til at hænge sammen, danner en tynd film på tværs af overfladen. Små genstande som Cheerios er ikke tunge nok til at bryde overfladespændingen af ​​mælk, så de flyder. Deres vægt, imidlertid, skaber en lille bule i overfladefilmen. Når en Cheerio -bule kommer tæt nok på en anden, de falder i hinanden, fusionerer deres buler og til sidst danner klynger på mælkens overflade.

For at teste, hvor stærkt Cheerios - og andre objekter i Cheerio -størrelsen og vægtintervallet - tiltrækker hinanden, forskerne brugte et specialbygget apparat, der bruger magnetisme til at måle kræfter. Forsøget involverer to plastdiske i Cheerio-størrelse, hvoraf den ene indeholder en lille magnet, flyder i et lille kar med vand. Elektriske spoler, der omgiver karret, producerer magnetfelter, som kan trække den magnetiserede disk væk, mens den anden holdes på plads. Ved at måle intensiteten af ​​magnetfeltet i det øjeblik begynder diskene at bevæge sig væk fra hinanden, forskerne kunne bestemme mængden af ​​attraktiv kraft.

"Magnetfeltet gav os en ikke-mekanisk måde at påføre kræfter på disse kroppe, "Harris sagde." Det var vigtigt, fordi de kræfter, vi måler, ligner vægten af ​​en myg, så hvis vi fysisk rører ved disse kroppe, kommer vi til at forstyrre den måde, de bevæger sig på. "

Eksperimenterne afslørede, at en traditionel matematisk model af interaktionen faktisk underforudsiger tiltrækningens styrke, når diskene er placeret meget tæt sammen. Først vidste forskerne ikke, hvad der skete, indtil de lagde mærke til, at når to diske trækker tættere på, de begynder at vippe mod hinanden. Hældningen får skiven til at skubbe hårdere mod væskens overflade, hvilket igen øger den kraft, hvormed væsken skubber tilbage. Det ekstra skub resulterer i en lidt øget attraktionskraft mellem diskene.

"Vi indså, at der var en ekstra betingelse for, at vores model ikke var tilfredsstillende, hvilket var denne hældning, "Sagde Harris." Da vi tilføjede den ene ingrediens til modellen, vi fik en meget bedre aftale. Det er værdien af ​​at gå frem og tilbage mellem teori og eksperiment. "

Resultaterne kan være nyttige i designet af mikroskala -maskiner og robotter, siger forskerne. Der er interesse, for eksempel, ved at bruge små edderkoppelignende robotter, der kan skittere over vandoverfladen til at lave miljøovervågning. Dette arbejde kaster lys over den slags kræfter, disse robotter ville støde på.

"Hvis du har flere små maskiner, der bevæger sig rundt eller to eller flere ben på en robot, du skal vide, hvilke kræfter de udøver på hinanden, "Harris sagde." Det er et interessant forskningsområde, og det faktum, at vi kunne bidrage med noget nyt til det, er spændende. "