第十九期问题:爱转圈的沐浴露(查看详情,请点击群博右边栏的Dr.YOU专辑)
瓶口打开了······瓶子倒过来了······它落下来了······它落下来了······它在转圈······它在转圈······它为什么在转圈?
有人知道:
Justso:
旋转堆积的复杂诱因
旋转堆积这个现象我亲眼见过几种,合并起来说非常复杂,
鉴于我上次写纸片切手从原理到实例写的太多了 — 4000字 …… 这次我只是列出我考虑到的原理,以及这些原理对应的最突出的现象,下面几个考虑的原理在各种旋转堆积现象上只有效果的或多或少,完全不受这些原理影响的情况是不存在的,大家可以自由组合用于解释现象。
1,流体内部压力与出口限制
比如牙膏在”挤出”过程中,类似”便便”o(╯□╰)o,受到出口的形状等限制、摩擦,以及出口附近流体内部的密度、质地、压力不均,导致向某一侧弯曲;
另外,补充个见闻,貌似人类的”便便”有牙膏一样的转圈圈现象,而牛粪并非转圈圈的,去草原实际观察过,牛便便是”扑”的一下一坨出来,不是细细的一条堆积的过程…… 恶心到你们了! ^_* 我认为,”大便样”旋转堆积,与香波的旋转堆积,形成机制相差较远。下面还要说明,香波更接近”随机振动”堆积。而”便便”的旋转堆积,主要是两个作用 — 一个是地心引力,便便的出口并不是垂直向下的;一个是便便出口的形状,以及压力施加方式 — 考虑到”出口”括约肌的用力方式,以及内部直肠压力–腹压和肛管周围环形肌肉等等。
2,堆积体对液柱的反作用力
一个很好的录像例证是松鼠会的Shea提出的,大家看这个录像 http://www.youtube.com/watch?v=GX4_3cV_3Mw,暂停录像,注意到液体柱下端与堆积接触的部分,已经出现了一个堆积变粗的部分,这个部分是粘稠液体减速后堆积,反作用于上端导致的液柱变粗,这个力与液体的粘稠度,以及液体性质有很大关系,这是造成液柱最下端改变流动方向的一个重要的力。
3,流体的湍流和抖动,表面张力等等
湍流,或者称作涡流,这是个极其强悍的东东,因为其非线性、混沌特征,很久以来都是物理学研究的死穴。旋转堆积现象里,不但存在内部流体的湍流导致的失衡,也有外部空气运动带来的湍流导致的正负压强变化影响。一般来说,所有流体动力学问题都与湍流有关,比如我们吹笛子发声,飞机机翼产生振动,自来水哗啦啦,都与它密切相关。
比如,把正在试验堆积的香波瓶子提高一些,某些粘度的香波会在最下端形成液滴。液柱断裂,形成液滴过程首先是由于液体内部的湍流+表面张力引起。也可以说流体内部,湍流无处不在。
另外表面张力和液体气体之间的相互作用,尤其是在液柱非常细狭情况下,这些作用力的效果更明显。
4,科里奥利力
这个力是地球表面水平运动的物体要考虑的外力,其大小与运动速度在水平方向的分量上大小成正比,与纬度为正弦三角函数sin 关系,我们国家大部分在北纬范围,除了赤道上这个力是零,其他位置都要考虑。但是同样考虑到,垂直下降的液柱,在水平方向上是没有分量的。但是当其他力改变液柱垂直向下运动之后,由于有了水平运动速度的分量,这个力就要被考虑进来了。这个力由地球自转引起,相对比较恒定,多数观察到旋转堆积效果的试验之中,这个力应该是最重要的产生旋转的力之一。
5,外部振动
较为稀薄的香波液体下降的过程中,液柱速度越快,导致越下面的香波柱体越细,液柱上端的任何抖动都会对下端产生影响,作旋转堆积试验的同学们,很难弄到完全无振动的环境,这个影响很难去除。另外,速度更快,更细的液柱更加容易受到外界空气波动影响,也很容易产生蝴蝶效应一般的积累,导致最下端液柱产生大幅抖动。
我观察到的稀薄香波并不是旋转堆积,而是随机抖动的堆积,而且抖动频率比较高,非常细的香波丝,发生”抖动”的柱体位置在堆积面上3mm 到 1cm之内,。这种随机抖动堆积,可以认为是流体下端接触堆积面的反作用力 + 周围空气湍流 + 科里奥利力 + 液体内部的湍流协同影响产生的。
6,Kaye现象–液体性质的改变
由Shea贡献的录像引出一个我原来也不知道的现象 — Kaye现象,Google到如下文章(来自http://gezhi.org/video/tag/1061)
英国工程师 Alan Kaye 于 1963 年发现的一个现象。如果从高处倒下香波之类黏性液体,下方的表面会突然间喷出一束液体。后来人们发现,这种现象对于 shear-thinning (剪切稀释)的液体很平常。Shear thinning 指的是某些液体在剪切速率增大的情况下,黏性会变小。像番茄酱,洗发香波,血液之类都属于这类液体。这种现象肉眼不大容易看到,因为很少持续超过 300 毫秒。
差不多能考虑到的影响,我都写在上面了,大家继续发挥。嘿嘿。
另外,有想看牛”便便”录像的,看这里:
http://www.youtube.com/watch?v=BTT1BwGiPpk
低雷诺数流动的典型现象,雷诺数物理意义即惯性力与粘性力之比,雷诺数越小,流体中粘性力的作用就也越大。
在倒洗发水等高粘性的流体时,由于粘性力的作用,每部分流体微团都会收到相邻流体微团的“拉扯”、“牵制”作用,在靠近地面堆积的时候,自然也会受到已堆积流体的“拉扯”作用,而惯性力无法抵消这种粘性力的作用,“拉扯”的合力形成了“旋转堆积”的现象。
所以,容易理解,倒水的时候不会出现这种现象,此时为高雷诺数流动,流体惯性力的作用大于粘性力的作用,足够抵消已到达地面流体的“拉扯”,故流体流下时沿惯性力的方向笔直下落,不会出现上面现象。
用水,米汤,菜油,洗发水,牙膏,沥青依次倒来看看,你会看到“旋转堆积”从无到有的渐变。当然,你老妈同意的话。
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Dr.Who说:
Justso说这事很复杂,解释得四面八方。
ziplb觉得这事简单又明了,解释得言简意又赅。










沙发一下先
沙发?
今天在一本杂志上才看到松鼠会,现在找到了相见恨晚啊啊啊啊啊
不晚啊啊啊啊啊啊
多了一个 啊
是不是和新浪博客上的内容都一样的呀
回复不一样:D
唉,just so的事情,说了那么多,为什么就是不说拿着瓶子的手在微微的晃动呢?要记得问题所问的事情:”倒沐浴露之类的粘稠液体时”,怎么倒的?用手拿着瓶子在倒嘛.其他那么多条,有点作用,但在此时,手的晃动作用最大.
你看,你看,我没说到的部分来了,手晃的嘛!!就像肯德基麦当劳里面的冰淇淋,都用手晃出来的!!
http://www.youtube.com/watch?v=vv0Rif-4IyQ&hl=zh-CN
这里有个有意识的旋转堆积实例.
这个螺旋堆积的例子并不能作为解释吧。手的运动可以形成螺旋堆积,并不能证明螺旋堆积就是手的运动造成的,至少还要看排除人为因素之后,还有没有螺旋堆积的现象。
对比观察用手倒和不用手倒形成的形状,就可以验证你的观点啦。赶快动手实验吧!
在不用手倒的情况下,准确地说,是瓶子固定,下面的容器也固定的情况下,justso所说的那些因素就开始起作用了。
有个办法可以观察手的晃动:找根针,穿上半尺长的线。用手捏着线头,吊着针伸到桌面上,整个手臂都不要支撑任何地方,悬空让针尖“固定”于桌面上某一点(比如一张打印纸上的一个点句号)上方一毫米处。就可以看到针尖在点上面划小圈了(一般是椭圆,不会是正园,也不会是直线的往返)。
这个 问题,呵呵。
还是认为转圈问题和密度以及压力有关/
http://v.youku.com/v_show/id_XNjYxODcwNDQ=.html
这个更清楚。
其实…… 其实…… 手晃出来的,和便便晃出来的原理差不多…… 哈哈
科里奥利力可以忽略,因为影响太小了。
是,不过在细细的香波柱体最下方,快速摆动的液柱受到这个力是不可低估的。香波堆积的确很奇妙,高频率类似随机摆动的行为看起来很神奇。
有机会高速录像下来看,一定很好玩。
另外,我个人觉得Kaye现象可能是很大部分旋转堆积的解释,尤其是高速摆动的香波。
你提出来至少4种旋转堆积现象可能的原因,怎么我觉得没有一种是在“解释”这种现象啊。
只是罗列可能性可不行啊。无论是观察到了螺旋堆积,还是随机抖动的堆积,都要说明白是什么因素导致形成各自形态,以及怎么形成的吧。
八爪啊,这种太微观的东东,我这个Dr.U力所不及啊,俺已经离开实验室多年咯,高速摄影机,流体内运动湍流标记方法,以及超静试验环境,甚至是比较纯的香波我都拿不出来啊……
你看Shea共享的那个kaye试验的高速摄影录像,里面的液体还带气泡呢,这个气泡很可能是故意混进去,来标志液体内湍流,或者故意引起液体剪切效应,也可能是不故意混进去。无论如何,拍摄这个录像之前,这个现象已经被总结为Kaye 现象,只要解释了Kaye现象,这个录像就赢了!而我呢?
我要面对便便的旋转 — 包括对他的出口及内部括约肌的研究…… 以及便便的组成成分…… 以及……
还要区分开稀薄的香波,和麦当劳的冰淇淋,还有还有~~~ ~~~ 这个现象实际上太复杂啦~~~ 要说清楚不容易哦,所以我就先贡献一下,星期二就把这些效应都罗列出来,让后来者参考咯~~
嘿嘿,得一次Dr.U就行啦,不追求连续得奖 (⊙o⊙)哦。后来的大家使劲吧
我刚被揪斗反低俗,从北京挂牌子抹沥青插鸡毛游街示众到天津。。。。那叫一个惨!你可别步我的后尘啊。。。。。
keye现象看起来比香波转圈神奇多了。下面连接是个专业文章,有没有能看懂的,来解释解释翻译翻译:
http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0603/0603183.pdf
有意思的松鼠 ^_^
有意思的松鼠们
ziplb只解释了堆积,却没解释旋转.
其实,纸片儿切手那次是个拨乱反正论题,大家都有自己的想法。
这次旋转堆积是个选择题,我把原理放出来,大家自由组合。
呵呵
我看这个题目居然看得都饿了
Justso你几乎把能说的都说了。。。。广大人民群众怎么办啊
哈哈哈哈,你肯定是看了最后那个链接,我的骗局 –“牛便便录像”
液体落下的过程,对称性破缺,跟这个有没有关系……?
什么是对称性破缺啊……惭愧……
落下的时候,瓶口稍微的偏离了中轴一点,结果就出现了本文要探讨的东西。。。这是必要条件之一吧
传说……因为本文,很多家的爸爸妈妈都在说最近家里的洗手液洗发水沐浴液等该类物品都大量消耗啊……
每次洗手液用到最后不会出现旋转堆积现象,因为用到最后的那些液体往往太稀了,回去继续观察。。。>.<
Justs对湍流的理解有错误,“所有流体动力学问题都与湍流有关”以及“流体内部,湍流无处不在”都是错误的。一般来说,用Renolds number(雷诺数)来判断湍流和层流的界限,定义为密度×平均流速×管径/粘性系数。当流速足够缓慢,Re<<10000,那么属于层流,比如说吸管里的果汁流动。湍流的确非常难,被称为是“19世纪的物理留到21世纪来解决”,而弦论则是“21世纪的物理偶然落在20世纪”。我现在的研究室就是做湍流和传热起家的,不过我对湍流是敬而远之。
没看懂..
kaye效应我也观察到了,照片里也有点儿体现,不过不太好拍
几张照片看这里http://picasaweb.google.com/limbdio/acLzAJ#
[...] 1,2, 优胜者, [...]
没事,没事,我拉着促成水果性生活的小姬一起从北京陪绑到上海,正好去参加上海见面会 (*^◎^*) 哈哈哈,