《自然》：一艘反向漂浮的小船，顛覆對浮力的理解

來源：環球科學

小玩具船分別漂浮在懸浮液體的上下表面（圖片來源：B。 Apffel et al。）

編譯 | 樊亦非

編輯 | 吳非

一隻漂浮在液體表面的船沒什麼大不了。如果這些液體懸浮在空中，就很神奇了吧？如果這艘船是頭朝下漂浮，豈不是讓人驚掉下巴？

近期，一羣法國科學家就給我們變了這樣一出“戲法”。他們不僅可以使一層粘稠液體懸浮於空中，還可以使一艘小玩具船頭朝下漂浮於液體底部。這項研究發表於《自然》雜誌。

通常來說，大密度液體會沉於小密度液體下方，例如油漂浮在水面之上。如果你向容器中先倒入一些油，再向其中小心地注水，便會看到較重的水逐漸穿過油層，向下方蔓延，直至完全沉到底部。

類似地，使剛體擺穩定的位置是將它垂直向下懸掛。當擺錘筆直指向上方倒置且其受力完全平衡時，剛體擺也能處於穩定狀態。但是，一點點微小的干擾就會使擺錘向下擺動，打破這種穩定。

1951年，諾獎得主，發現超流體現象的蘇聯物理學家Pyotr Kapitsa發現，以適當頻率上下振動時，擺錘能一直保持倒置的狀態，以他名字命名的Kapitza擺就此誕生。高頻振動所引起的諸多物理效應逐漸引起了越來越多科學家的興趣。

Kapitza擺讓巴黎高等物理化工學院的Emmanuel Fort獲得了靈感：既然可以倒置擺錘，爲什麼不可以倒置液體？

但是，該選擇哪種液體進行倒置呢？水容易產生波紋，不夠穩定。而密度大於水的甘油和硅油具有較高的粘度，可以抑制波紋的形成。

於是，實驗開始。Fort和同事們向裝有硅油的容器中注入一個氣泡，再以100赫茲的振動頻率使氣泡被向下推動。對於每一個給定的振動頻率，均存在一個臨界深度。

在該深度以上，氣泡會浮至液體表面。

在該深度以下，氣泡則會下沉。

如果改變振動頻率，就可以改變臨界深度，進而控制氣泡的運動。

接着，他們使沉底的氣泡膨脹，以此產生穩定的空氣層，從而使液體懸浮在空氣層上方。振動還產生了穩定的壓縮節奏，使得懸浮液體保持完整的形態。

這樣一來，便可懸浮約半升的液體。理論上，只要振動頻率足夠高，懸浮多重的液體都沒問題。

反向漂浮

事實上，利用高頻振動使液體懸浮並不是什麼新鮮事，其背後的原理也已爲人所知。原來，在振動系統中還存在一種特殊的時間平均力——振動力，正是這種力造成了氣泡在振動液體中下沉、流體浮於空氣上方等等反常現象。振動力目前已應用於實際生活，例如，被用來實現多個物體的旋轉自同步以及分離、運輸物料。

如今，Fort及其團隊創造性地發現了振動力的另一項用途：讓物體反向漂浮。

不管是實驗最初使用的小圓珠，還是之後利用3-D打印機打印出的其他形狀的塑料小船、鴨子和青蛙，所有物體都能顛倒地漂浮在懸浮液體的底部。就連Fort也承認，這是自己從未料想過的結果。

對此，他們提出了這樣一種解釋：當液體垂直振動時，作用在液體上的重力以及作用在浸沒物體和漂浮物體上的重力均會隨着時間而振盪。顛倒漂浮着的物體浸沒於懸浮液的體積也會隨着時間而振盪。因此，物體便會受到一個平均時間力，這種力具有“反重力”的效果。與Kapitza擺類似，這種振動系統的穩定狀態對應着勢能的最大值，而非最小值。不過需要注意的是，儘管小船漂浮的方向顛倒了，但浮力的方向依然是向上的。