液体蜂窝

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  我们都见过蜂巢,都曾对蜂巢的正六边形规则孔穴惊讶过,但你相信有液体的蜂窝吗?液体也可以制造出异常规则的紧密排列的一个个小正六边形吗?如果你看到液体蜂窝,你会感觉那是蜂巢放入了盘子里,不相信是液体蜂窝,但它确实是液体产生的一种奇观,你如果掌握了它出现的条件,也能制造出来。
  液体中出现了蜂窝
  液体蜂窝其实是液体被加热时产生的一种现象,这种现象形成的条件并不苛刻,我们不妨来演示一下。拿一只平底的浅金属盘子,保持盘底水平,加入约1毫米深的液体(最好是油状液体),从盘子的下面缓缓加热,尽量使盘底受热均匀,温度一致。逐渐地,液体的底部因为对流形成了很多液体小区块,这些液体小区块之间还会有边界,看上去像是一个个细胞,所以科学家把它们叫做液胞。液体则从每个液胞的中央升起而后由边缘沉下去。
  开始的液胞不是很规则,有大有小,看上去真的像一堆细胞。液胞继续增多,布满盘底的时候,液胞的形状就越来越规则了,有四边形的,五边形的,六边形的以至七边形的。随着液胞的继续增多,液胞之间很拥挤的时候,所有的液胞一个个就成为大小一致排列紧密的正六边形了。盘子里的“蜂窝”就制造出来了。
  通过上述液胞的形成过程,我们可以得知,盘子里的“蜂窝”是液体从底部受热时,液体内部局部的对流形成的一个个小对流区块,热的液体从每个正六边形的中心升起,而后受空气冷却了的液体从边缘降下。科学家把这种现象称为“雷利对流”,是英国物理学家在100多年前首次发现的,现在又叫液胞对流。
  液体蜂窝产生有条件
  也许你很奇怪,为什么液体对流会形成那么规则的正六边形的液胞呢?研究发现,这是由于液体有表面张力,液体的表面张力总有收缩液体表面的趋势,使液体的表面积最小,而在由小单元排列成的液面上,只有正六边形是紧紧相挨的,排列最紧密,表面积最小。实验发现,当我们在液面上盖一玻璃片,让玻璃片与液体密切接触时,再以同样的加热方式从液体底部均匀加热液体,透过透明的玻璃片,我们可以看到,这种情况下,液体对流形成的不再是“蜂窝”,而是同心圆环!这是因为液面盖上玻璃片会消除液体因与空气接触而形成的表面张力。
  需要说明的是,这种“蜂窝”对流的出现,需要液体底部均匀受热,大气层的风云变幻也是一种对流,但这种对流是太阳的高空加热,就不会产生“蜂窝”云。另外,加热所产生的液体底部与顶部之间的温度差不能太大,也不能太小,若温度差太大,液体被加热太快,就容易在液体中产生气泡,气泡的上升与爆破会破坏这种规则的蜂窝结构。但如果温度差太小的话,液体又无法形成对流,也就无法形成液体蜂窝。
  比液体蜂窝更诡异的现象
  通过研究,液胞对流既受到了液体表面张力的影响,又受到了加热产生的密度差的影响。具体哪个因素影响最大,要看液体的种类和深度:如果盘子里盛放的液体越深,密度差起的作用就越大,如果被加热液体是表面张力大的一种液体,表面张力就会起更大的作用。
  因此,通过改变液体的种类、深度、加热温度、表面张力等这些影响因素时,还可以制造出其它一些比较稳定的有趣结构:有正方形、平行条纹、圆环形、螺旋形、许多小螺旋组成的花纹等。有趣的是,螺旋形的结构还会不断旋转。其实所有的这些结构都是不断运动的液体形成的动态的形状,令人称奇。
  在充分的研究后,科学家可以用一种复杂的数学方程来描述这种液胞对流现象。现在借助强大的计算机,通过计算机模拟,就可以改变液胞对流的各种影响因素,模拟出更多有趣的液胞形态和结构,用这些模拟来指导实验,能够更细致透彻地研究这种有趣的对流现象。
  液体蜂窝背后的意义
  当然,科学家研究这些现象不是为了好玩,首先这种研究对于工业中的很多液体加热都有指导意义,其次这种从混乱的运动变化中产生的有序现象是一种典型的乱中有序的混沌现象,对这种现象的研究可以进一步透彻地了解大自然,因为大自然本身就是一个纷繁复杂的世界,充满了很多看似混乱,却暗含秩序的现象,例如天气的变化、地震的过程等。
  甚至这种研究可以让人类更透彻地了解外星现象,例如:卡西尼号土星探测器2006年拍摄到土星北极出现了巨大的六角形漩涡,漩涡的巨大和异常规则令人类震惊,人们不解土星上到底发生了什么事情。现在,我们可能会不以为然,既然液体在加热时都会产生那么规则的结构,那么土星大气层在大范围对流时,制造出这么规则的漩涡是不足为奇的,很可能以后卡西尼号还会传来更规则更令人类震惊的图片呢。
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