早餐碗里的谷物圈效应

我们在日常生活中常常会遇到一些现象，看似平淡无奇，却隐藏着某些物理原理。“谷物圈效应”（Cheerios Effect）就是与早餐密切相关的有趣现象。

什么是“谷物圈效应”？

当你向盛满牛奶的碗中倒入谷物圈时，你会发现这些谷物圈不会孤零零地分散开，而是要么聚集成一个个的团状结构，要么贴在碗边。

这种现象同样适用于其他浮在液体表面的轻质小物体，如泡沫、花瓣等。这就是神奇的“谷物圈效应”，最早是一位科学家在吃谷物圈早餐时发现的。

浮力与表面张力

为什么会出现“谷物圈效应”呢？我们首先需要了解两个基本物理概念：浮力和表面张力。

浮力是指当一个物体部分或完全浸入液体时，液体对物体产生的向上的力。阿基米德原理指出，浮力的大小等于物体排开液体的重量。当谷物圈漂浮在牛奶表面时，它们受到浮力的作用，保持漂浮状态。

表面张力是液体表面由于分子间相互吸引而表现出的收缩趋向。液体表面由于分子受到周围分子的拉力，会尽可能缩小其表面积，形成一个类似于弹性的薄膜。这种现象在肥皂泡中表现得尤为明显。

“谷物圈效应”是怎样形成的？

“谷物圈效应”是浮力和表面张力共同作用的结果。

当谷物圈漂浮在牛奶表面时，会使牛奶表面产生微小的凹陷，发生形变，形成局部的液面高低差。由于表面张力的作用，液体表面总是倾向于恢复到平坦状态，因此这些凹陷区域会产生一个向内的拉力，迫使谷物圈靠近彼此。

当两个或多个谷物圈在牛奶表面相互靠近时，各自产生的凹陷会相互影响。这些凹陷区域会形成一个合力，将谷物圈拉向彼此，使它们聚集在一起。

当谷物圈靠近容器边缘时，会让牛奶表面产生额外的凹陷，进一步促进谷物圈的聚集效应。

现代科技中的应用

“谷物圈效应”在现实生活中有广泛的应用。在生物医学领域，研究人员可以更好地理解细胞和微粒在液体中的行为；在材料科学领域，科学家可以设计和制造具有特定表面特性的材料；水面微型机器人逐渐在环境监测、搜索与救援等多个领域展现出独特的优势，当像水黾（meng）一样的小机器人在水面移动时，会与水面产生相互作用，科学家通过深入分析“谷物圈效应”中的数学模型，能合理设置水面微型机器人的形状、重量分布和推进方式，提高稳定性，确保机器人能够平稳、准确地执行任务。

一起来做实验吧！

第1步：碗中倒入牛奶。

第2步：将谷物圈撒进碗里。

贴近谷物圈仔细观察，可以看到谷物圉周围和碗壁附近的牛奶表面有细微凸起，凸起之间相互吸引。随着时间的推移，这些谷物圈相互靠近，聚集在一起，形成团状结构或者贴在碗壁周围。

第3步：动手把聚在一起的谷物圈分开后，不一会儿，它们又会重新聚集在一起。

探索：加入少量洗涤剂，仔细观察，谷物国会有哪些行为变化？

原理解析：洗涤剂会降低液体的表面张力，使谷物圈的聚集效应减弱。

作者单位

赵文君 北京市燕山教研中心 王洪鹏 中国科技馆