流体力学奇观：反向浮力与倒悬之海

#今天要来点物理吗？# 流体力学 物理学奇观之反向浮力的倒悬之海很多人小时候都看过一个用来验证大气压的 科学实验：用一张纸盖住装满水的杯子，然后用一只手掌压住纸，另一只手抓住杯子，缓缓把杯子倒过来。最后拿开压住纸张的手，因为气压的关系，杯中的水不会落下。但是，如果拿掉那张纸，气压似乎就无法支撑住水——水会倾泻而下。这一现象和所谓的瑞利-泰勒不稳定性相关。以前介绍过，见网页链接当我们把液体层放置在密度较小的介质(如空气)上时，如果液体质量超过一定大小，就会向下塌陷，因为作用在下部介质界面上的重力会触发去稳定作用，即瑞利-泰勒不稳定性。瑞利-泰勒不稳定性显然是我们不希望看到的东西。在工业上，如果能够直接用空气支撑住液体，无疑会产生许价值非凡的应用；在用水封住石油的时候，我们也期望水和石油是泾渭分明的，不要发生崩溃式渗透。为了避免瑞利-泰勒不稳定性而开发的许多方法中，垂直振动被证明是有效的，因此展开了非常详细的研究。2020年，科学家发现了惊人的现象——反向浮力的倒悬之海。借助垂直振动，科学家让密闭玻璃内的粘稠液体被空气支撑——也就是悬浮起来。这本身倒不惊人。问题是，科学家最开始在液体上放了一个空心金属小球。等液体层被空气托起之后，小球浮在了液体层的下表面！我们平日所见的浮力现象，都是物体在液体层的上表面，借助水的压力平衡重力。现在，用空气托起液体层之后，各种力的相互作用，导致物体浮在了液体层的下表面。更有甚者，借助磁铁一类的手段，如果我们水平拉扯小球，运动效果就和物体浮在液体上表面时一样。当我们向上压一下小球的时候，因为反向浮(压)力的作用，小球会自动回到原位——类比：我们用手压一下浮在水池里的塑料玩具，挪开手，玩具就会自动浮上来。这一现象的本质原理并不复杂，就是压力和重力之间的平衡。但是实际计算起来却非常麻烦。实际上，这才是 科学家在这一课题里最关心的突破。上下震荡的强度和频率也至关重要。随着振动的减少，咒语失效，小球和悬浮的液体层落回容器底。就像前面所说，这一精巧发现并非是为魔术表演提供原理，在工业上我们用流体推动气体或其他材料的运输手段，就是重要的潜在应用方向。该研究发表在nature：网页链接 物理芝士数学酱的微博视频

新浪微博 2026-03-23 00:00:00