團結(jié)的谷物圈

魏昕

如果你有吃早餐的習(xí)慣，一定看到過這樣一個現(xiàn)象：扔一把谷物圈在盛有牛奶的碗里，谷物圈會一堆堆地聚集在一起，好像粘上了一樣，看起來十分“團結(jié)”。即便你將谷物圈一個一個扔進去，它們最后也會漂到一起，抑或是貼著碗邊分布。一些愛吃早餐的科學(xué)家同樣發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象，并給它取了一個聽起來很好吃的名字——谷物圈效應(yīng)。

谷物圈效應(yīng)對我們來說最大的好處就是更容易吃到碗里的谷物圈，喝一口牛奶往往能吃掉一大片谷物圈，讓人十分滿足。但科學(xué)家不滿足于此，他們研究了這個效應(yīng)背后的成因。

科學(xué)家用了很多物體來研究這個現(xiàn)象，他們發(fā)現(xiàn)，無論是在碗里放上一把谷物圈，還是麥片，甚至是曲別針，只要它們能漂在水面上，最后都會聚成一片，似乎在詮釋著“物以類聚”這個成語。這到底是為什么呢？

眾所周知，谷物圈浮在液體表面是因為浮力的作用。當(dāng)谷物圈漂浮在水面上時，浮力會使它們趨于液體表面的最高點。那么，液體表面的最高點在哪里呢？倘若用顯微鏡觀察一杯水，我們會發(fā)現(xiàn)水面并不是平的，而是凹的，液體表面的最高點就在杯壁和水的交界處，這是因為杯壁和水之間產(chǎn)生了毛細(xì)力，也就是杯壁對水有吸附作用。由于毛細(xì)力讓谷物圈周圍和杯壁附近的液面凸起，所以當(dāng)谷物圈像一個個“小山包”一樣靠近時就會合并，或是貼近杯壁分布。

看完上面的解釋，你大概以為自己已經(jīng)對谷物圈效應(yīng)了如指掌了。那么，你猜一猜，如果將一枚谷物圈和一枚曲別針放在一起，會發(fā)生什么現(xiàn)象？奇怪的事情發(fā)生了，谷物圈和曲別針不但沒有吸附在一起，反而在水里發(fā)生了排斥。原來，它們雖然都是漂浮在水面上，可這背后的原因卻是不一樣的。像谷物圈、麥片等密度小的物體是依靠浮力漂在水面上的，而像曲別針、大頭釘這樣密度大的物體是依靠張力漂在水面上的。

水分子之間的張力很大，會使得水面好像形成了一層“水膜”。將曲別針等密度大的物體放在水面上，只要其重量不會壓破“水膜”，它便會漂在水面上。但這樣的壓迫會讓水面發(fā)生形變，簡單來說，就是這些物體會把水面壓出一個坑。兩枚曲別針放在水面上時，凹坑會合并，兩枚曲別針也會碰到一起。你可以想象一下，一個足夠軟的沙發(fā)墊，在上面放兩個球，球會滾到一起，由張力引發(fā)的谷物圈效應(yīng)就是類似的情況。

理解了谷物圈效應(yīng)實際上還分為浮力引發(fā)的和張力引發(fā)的，就不難理解為什么谷物圈和曲別針會相互排斥了。這是因為一重一輕的兩個物體在水面上漂浮，它們貼近時就是一個凹陷和一個凸起相鄰，此時表面能反而會增大，從而相互排斥。

谷物圈效應(yīng)在設(shè)計微型機器人時有很大作用。如果在一小片水面上有多個微型機器，或是一個機器人有多條腿，那就需要考慮它們之間可能的作用力，這種力的大小與一只蚊子的重量差不多，但在微型機器人的設(shè)計中是不可或缺的因素，甚至決定了微型機器人研發(fā)的成敗。

了解了這些，我們以后與朋友的聊天時就不再局限于“吃谷物圈會不會發(fā)胖”這樣的話題了，而是能從科學(xué)的角度論述谷物圈效應(yīng)的成因，聽起來是不是很高大上？