球在熱盤上彈跳的YouTube影片導致一項怪異物理學的新發現!

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當一名烏克蘭程式設計員和有抱負的饒舌歌手在他的滾燙的煎餅淺鍋放下少許的水凝膠球時,這是一切的開始。

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這些被園丁用來水合(hydrate)植物的珠子,因為它們有98%左右是水,就開始彈起來。這名男士記錄幾分鐘它們的吉格舞的小跳躍,以這些球體放射出來的可怕尖叫聲來完成。

自2015年底以來,有超過一百萬人在YouTube上看過這部片子。

這部短片引起荷蘭萊頓大學(Leiden University)軟質材料物理學專家Scott Waitukaitis的關注。他在一場科學會議上滑手機時,看見這些彈跳球(下面)。

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他說:「本質上,它們變得活躍,而且在尖叫。」

他的高興被好奇心取代,因此決定在實驗室複製這部爆紅的影片,利用高速相機來找出為什麼這些球可以彈得這麼久。

Waitukaitis和同事專注於當水凝膠與非常熱的表面相連時會發生什麼事。如同這些研究人員星期一在自然物理學期刊(Nature Physics)上報導,接觸會立即導致蒸汽的爆發,這迫使球的底部振動。

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Waitukaitis說:「這個蒸氣逐漸增加壓力,實際上使球的底部變形。」

這些凝膠注入剛發生的能量迸發,所以一直在彈跳。一次的嘗試大約彈跳1千次。(這些振盪也讓球變成聲調高的尖叫蕈。)

Waitukaitis說:「我們發現一種基本上新型的萊頓弗羅斯特效應(Leidenfrost effect)。」

在萊頓弗羅斯特效應的經典例子中,液體浮在遠高於液體沸點的受熱物體表面上,這就是為什麼水滴掠過一個非常熱的平底淺鍋周圍。水滴的底部變成蒸氣,是懸浮水滴和熱之間的緩衝。

Waitukaitis說:「水可以真的浮在煎鍋的頂部周圍。」

對於水凝膠,萊頓弗羅斯特效應把每一顆球變成一個微小的蒸汽引擎。物理學家表示,這顆球就像是燃料、氣缸和活塞被包在一起。

就算是最有彈性的橡皮球也會休息,因為隨著每一次下降,在與地面接觸時會失去能量。水凝膠球也會損失能量,但它們從蒸汽爆發中得回失去的能量。

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Waitukaitis表示,這些球的彈跳長達10分鐘,只有當把球連接在一起的微量聚合物開始融化、跟球本身爆開時,才會停止。

Waitukaitis展望將這種現象應用到軟性機器人領域。能源是軟性機器人的難題,大多數的機器人不是受到限制,就是必須依靠剛性電路和電池。

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但根據這項研究,Waitukaitis表示,熱金屬線穿過像水凝膠的材料,可能可以避免硬組件的需要。

他說:「我們想要做出更有效率和更智慧的軟性引擎,而萊頓弗羅斯特效果就有可能奏效。」

 

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「語音合成由賽微科技提供」

來源:Science Alert