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    物理实验 物理实验 关注:77 内容:26

    他还是一个学生,却解开了一个困扰科学家100年的谜团!

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      Lv.5伽马射线
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      牛顿

      来自洛桑联邦理工学院的一名本科生,解开了一个困扰科学家100年的谜团。他发现了为什么在狭窄的垂直管中,气泡似乎停留在那里而不是向上上升。根据他的研究和观察,气泡周围形成了一层超薄的液体薄膜,阻止它自由上升。他发现,事实上,气泡根本没有卡住——它们只是移动得非常、非常慢。一杯水中的气泡自由地漂浮在水面上,其背后的机制很容易被科学基本定律所解释。

      他还是一个学生,却解开了一个困扰科学家100年的谜团!

      然而,同样的科学定律不能解释:为什么几毫米厚管子里的气泡不会以同样的方式上升。物理学家在近一个世纪(100年)前首次观察到这种现象,但无法提出解释——理论上,除非流体在运动,否则气泡应该不会遇到任何阻力;因此,卡住的气泡应该不会遇到任何阻力。早在20世纪60年代,一位名叫布雷瑟顿(Bretherton)的科学家,根据气泡的形状开发了一个公式来解释这种现象。

      他还是一个学生,却解开了一个困扰科学家100年的谜团!

      从那以后,其他研究人员假设气泡不会上升,因为在气泡和管壁之间形成了一层薄薄的液体。但是这些理论并不能完全解释为什么泡沫不会上升。作为洛桑联邦理工学院工程学院软界面工程力学实验室(EMSI)的学士学生,Wassim Dhaouadi不仅能够观察液体薄膜,而且能够测量并描述其性质,这是以前从未做过的事情。他的发现表明,气泡并没有像科学家之前认为的那样被卡住,而是实际上向上移动的速度非常慢。

        他还是一个学生,却解开了一个困扰科学家100年的谜团!

      Dhaouadi的研究现在发表在《Physical Review Fluid》期刊上,这标志着第一次提供实验证据来检验早期理论。Dhaouadi和工程学院软界面工程力学实验室负责人John Kolinski使用光学干涉方法测量了薄膜,发现它只有几十纳米(1x10^-9米)厚。该方法包括将光引导到窄管内的气泡上,并分析反射光的强度。利用管子内壁和气泡表面反射光的干涉,精确地测量了薄膜厚度。Dhaouadi还发现,如果将热量施加到气泡上,薄膜会改变形状。

        他还是一个学生,却解开了一个困扰科学家100年的谜团!

      一旦热量被移除,薄膜就会恢复到原来的形状,这个发现推翻了最新理论,即薄膜会流失到零厚度。这些测量还表明,气泡实际上在移动,尽管速度太慢,肉眼看不见。因为气泡和管子之间的薄膜很薄,它产生了强大的流动阻力,大大减缓了气泡的上升速度。这些发现与基础研究有关,但可用于在纳米尺度上研究流体力学,特别是生物系统的流体力学,Dhaouadi在获得学士学位期间作为暑期研究助理加入实验室。

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      Dhaouadi进步很快,并且自愿地继续工作。基本上是出于对研究的兴趣参与了这项研究,并最终发表了一篇来自他的论文,解决了一个世纪以来的难题。现在正在苏黎世联邦理工学院完成硕士学位的Dhaouadi表示:我很高兴在课程的早期就开展了一个研究项目,这是一种新的思考和学习方式,与你知道有解决方案的家庭作业大不相同,尽管可能很难找到解决方案。一开始,甚至不知道这个问题是否会有解决方案。

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      博科园|研究/来自:洛桑联邦理工学院

      参考期刊《Physical Review Fluids》

      DOI: 10.1103/PhysRevFluids.4.123601

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