学生解决了困扰科学家100年的物理学之谜

时间:2019-12-04 07:38 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

学生解决了困扰科学家100年的物理学之谜

 

  John Kolinski和Wassim Dhaouadi。

  洛桑联邦理工学院(EPFL)的一名学士学位学生解决了一个困扰科学家100年的谜团。他发现了为什么狭窄的垂直管中的气泡似乎仍然被卡住而不是向上上升的原因。根据他的研究和观察,气泡周围形成了一层超薄的液体膜,阻止了气泡的自由上升。他发现,实际上,气泡根本没有被卡住–它们只是非常非常缓慢地移动。

  一杯水中的气泡自由漂浮到表面,其背后的机理很容易用科学的基本定律加以解释。但是,相同的科学定律无法解释为什么几毫米厚的试管中的气泡不会以相同的方式上升。

  物理学家大约在一个世纪前首次观察到了这种现象,但无法给出一个解释-理论上,除非流体运动,否则气泡不应受到任何阻力。因此,卡住的气泡应该没有阻力。

  早在1960年代,一位名叫布雷瑟顿(Bretherton)的科学家就根据气泡的形状开发了一个公式来解释这种现象。此后,其他研究人员推测气泡不会由于气泡和管壁之间形成的液体薄膜而上升。但是这些理论不能完全解释为什么气泡不会向上上升。

  

学生解决了困扰科学家100年的物理学之谜

 

  泡沫没有上升。

  当EPFL工学院的软接口工程力学实验室(EMSI)的学士学位时,Wassim Dhaouadi不仅能够查看液体薄膜,而且能够测量并描述其性质,这是从未做过的事情之前。他的发现表明,气泡并没有像科学家先前认为的那样被卡住,而是实际上非常缓慢地向上移动。Dhaouadi的研究最近发表在《物理评论流体》(Physical Review Fluids)上,标志着首次提供了实验证据来测试较早的理论。

  Dhaouadi和EMSI实验室负责人John Kolinski使用光学干涉法来测量薄膜,他们发现该薄膜只有几十纳米(1 x 10 -9米)厚。该方法包括将光引导到窄管内的气泡上并分析反射光强度。利用从管内壁和气泡表面反射的光的干涉,他们可以精确地测量薄膜的厚度。

  Dhaouadi还发现,如果将热量施加到气泡上,薄膜会改变形状,一旦热量消失,薄膜就会恢复其原始形状。约翰·科林斯基(John Kolinski)表示:“这一发现反驳了最新的理论,即该薄膜将流失至零厚度的说法。”

  这些测量结果还表明,气泡实际上正在移动,尽管速度太慢而无法被人眼看到。“由于气泡和试管之间的薄膜太​​薄,因此产生了很强的流动阻力,从而大大减慢了气泡的上升,” Kolinski说。

  这些发现与基础研究有关,但可用于研究纳米尺度的流体力学,尤其是生物系统。

  Dhaouadi在学士期间加入实验室,担任夏季研究助理。他取得了长足的进步,并继续自己的工作。“他基本上是出于对研究的兴趣而参加的,并最终发表了一篇论文,这使人们陷入了一个世纪的难题”,科林斯基说。

  “我很高兴在课程初期就开展了一个研究项目。这是一种新的思维和学习方式,与您知道有解决方案的家庭作业完全不同,尽管可能很难找到解决方案。起初,我们甚至不知道是否可以解决这个问题。”,目前正在苏黎世联邦理工学院攻读硕士学位的Dhaouadi说。柯林斯基补充说:“瓦西姆在我们的实验室取得了非凡的发现。我们很高兴他与我们一起工作。”

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