平静的液面
竟会沿着杯壁向上攀爬!
这杯反重力的酒
为何在伤心流泪?
它说
我不伤心
眼泪也没有流
这只是……这只是……
“敬给物理学前辈们的酒”
实验器材
75%酒精、红色素、透明杯子×2、搅拌棒、所标杯
实验步骤
向一个透明杯中倒入适量的75%酒精。
滴入红色素,用搅拌棒充分搅拌,使色素均匀分散在酒精中,以便观察。(其实在家直接用葡萄酒就行,有颜色方便观察。)
第三步:
将调制好的红色酒精倒入另一个干净的透明杯中,静置十几分钟,并录制杯中液体的变化。
将录制的视频加速播放,可以观察到红色酒精逐渐沿杯壁向上攀爬,随后凝聚成一颗颗小液珠,并沿杯壁滑落,形成有趣的酒泪现象。
注:演示视频经过100倍加速处理,以便更清楚地观察实验现象。
原理解说
酒精溶液能够润湿杯壁,在液面边缘向上铺展出一层极薄的液膜(弯月面)。由于乙醇比水更易挥发,薄膜上的乙醇会优先蒸发,导致液膜上部水分比例升高。
来源:Dan Quinn@YouTube
水的表面张力大于乙醇。随着乙醇挥发,液膜上部的表面张力增大,而下方主体液体的表面张力较小,从而沿杯壁形成了一道表面张力梯度。此外,蒸发吸热导致的温度梯度也会进一步放大这种表面张力的差异。
来源: Sci. Rep.5, 16162
当液面分布着表面张力梯度时,液体界面会受到沿表面的切向应力,驱动液体由表面张力低处流向高处,这就是马兰戈尼效应(Marangoni effect)。它足以克服重力,将杯底液体源源不断地沿杯壁向上拉扯。
想象一个扶梯(表面张力梯度),不断把人往上运(马兰戈尼效应),但是上方有一堵墙挡住(重力),当堵在上方的人聚集到一定数量时,就挤成一个球滚下(酒泪) | 来源:Dan Quinn@YouTube
被拉上来的液体在液膜上缘不断积聚,形成较厚的液脊。当液脊积攒到一定程度发生流体力学失稳时,便会聚集成一颗颗饱满的液滴,最终在重力作用下滑落,形成酒泪。
来源: Sci. Rep.5, 16162
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