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馬格努斯效應(yīng)在微觀尺度的新發(fā)現(xiàn):粘彈性流體中的記憶誘導(dǎo)機制

發(fā)布時間:2025-10-22閱讀( 11)

馬格努斯效應(yīng)是指一個旋轉(zhuǎn)的物體在流體中運動時,會受到一個垂直于運動方向和旋轉(zhuǎn)軸的力,這個力叫做馬格努斯力。這個效應(yīng)在日常生活中很常見,比如足球運動員踢出的弧線球,或者棒球投手投出的曲線球,都是利用了馬格努斯效應(yīng)。

馬格努斯效應(yīng)的原理是什么呢?簡單來說,就是由于物體的旋轉(zhuǎn),使得流體在物體兩側(cè)的速度不同,根據(jù)伯努利方程,這就導(dǎo)致了物體兩側(cè)的壓強不同,從而產(chǎn)生了一個垂直于速度方向的壓差力,也就是馬格努斯力。

那么,馬格努斯效應(yīng)在微觀尺度上是否也存在呢?在實際實驗中發(fā)現(xiàn),微觀尺度上的馬格努斯力非常小,甚至可以忽略不計。為什么會這樣呢?原因是,在微觀尺度上,流體和物體之間的相互作用很強,導(dǎo)致流體在物體表面形成了一層邊界層,這層流體和物體一起旋轉(zhuǎn),并不產(chǎn)生任何剪切力。因此,實際上只有附著層外面的流體才能對物體產(chǎn)生馬格努斯力。但是這部分流體受到附著對邊界層的影響很小,所以馬格努斯力也很小。

那么,在微觀尺度上有沒有什么方法可以增強馬格努斯效應(yīng)呢?答案是有的。最近有一篇論文發(fā)現(xiàn)了一種新的機制,叫做記憶誘導(dǎo)馬格努斯效應(yīng)(memory-induced Magnus effect)。這種效應(yīng)是在粘彈性流體中發(fā)現(xiàn)的。粘彈性流體是一種特殊的流體,它不僅具有粘性,還具有彈性。

粘彈性流體可以看作是由液態(tài)基質(zhì)和固態(tài)網(wǎng)絡(luò)組成的復(fù)合材料。固態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以是聚合物鏈、膠束、納米顆粒等等。當(dāng)粘彈性流體受到外界擾動時,它會表現(xiàn)出一種延遲響應(yīng),也就是說它會記住之前受到過什么樣的擾動,并且在一段時間后才恢復(fù)到平衡狀態(tài)。這種延遲響應(yīng)就是粘彈性流體的記憶效應(yīng)。

那么,記憶效應(yīng)和馬格努斯效應(yīng)有什么關(guān)系呢?論文的作者通過理論分析和數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)了一個非常有趣的結(jié)果。當(dāng)一個旋轉(zhuǎn)的微觀顆粒在粘彈性流體中運動時,它會在流體中產(chǎn)生一個形變場,這個形變場反映了流體網(wǎng)絡(luò)的壓縮和拉伸。由于流體的記憶效應(yīng),這個形變場不會立即消失,而是會隨著顆粒的運動而移動。

當(dāng)顆粒同時旋轉(zhuǎn)時,這個形變場就會和顆粒的運動方向產(chǎn)生一個夾角,從而導(dǎo)致了一個垂直于運動方向和旋轉(zhuǎn)軸的力,也就是記憶誘導(dǎo)馬格努斯力。這個力的大小和顆粒的旋轉(zhuǎn)速度、運動速度、以及流體的記憶時間都有關(guān)系。論文的作者還通過實驗驗證了這個效應(yīng),他們用磁場控制一些帶電的微觀顆粒在粘彈性流體中的運動和旋轉(zhuǎn),并且測量了它們受到的馬格努斯力。他們發(fā)現(xiàn),在粘彈性流體中,馬格努斯力比在牛頓流體中增強了大約一百萬倍!

這篇論文揭示了一種新的物理現(xiàn)象,也為微觀尺度上的粒子操縱提供了一種新的方法。我們可以利用記憶誘導(dǎo)馬格努斯效應(yīng)來實現(xiàn)粒子的分選、導(dǎo)向、聚集等功能,也可以用它來創(chuàng)造和可視化一些異常的流動現(xiàn)象。這些都是非常有趣和有用的研究方向。

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