團(tuán)結(jié)的谷物圈

魏昕

如果你有吃早餐的習(xí)慣，一定看到過(guò)這樣一個(gè)現(xiàn)象：扔一把谷物圈在盛有牛奶的碗里，谷物圈會(huì)一堆堆地聚集在一起，好像粘上了一樣，看起來(lái)十分“團(tuán)結(jié)”。即便你將谷物圈一個(gè)一個(gè)扔進(jìn)去，它們最后也會(huì)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(gè)現(xiàn)象，并給它取了一個(gè)聽起來(lái)很好吃的名字——谷物圈效應(yīng)。

谷物圈效應(yīng)對(duì)我們來(lái)說(shuō)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(gè)效應(yīng)背后的成因。

科學(xué)家用了很多物體來(lái)研究這個(gè)現(xiàn)象，他們發(fā)現(xiàn)，無(wú)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(huì)聚成一片，似乎在詮釋著“物以類聚”這個(gè)成語(yǔ)。這到底是為什么呢？

眾所周知，谷物圈浮在液體表面是因?yàn)楦×Φ淖饔?。?dāng)谷物圈漂浮在水面上時(shí)，浮力會(huì)使它們趨于液體表面的最高點(diǎn)。那么，液體表面的最高點(diǎn)在哪里呢？倘若用顯微鏡觀察一杯水，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)水面并不是平的，而是凹的，液體表面的最高點(diǎn)就在杯壁和水的交界處，這是因?yàn)楸诤退g產(chǎn)生了毛細(xì)力，也就是杯壁對(duì)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(gè)個(gè)“小山包”一樣靠近時(shí)就會(huì)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(duì)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?lè)旁谝黄穑瑫?huì)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(lái)，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(huì)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(huì)壓破“水膜”，它便會(huì)漂在水面上。但這樣的壓迫會(huì)讓水面發(fā)生形變，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是這些物體會(huì)把水面壓出一個(gè)坑。兩枚曲別針?lè)旁谒嫔蠒r(shí)，凹坑會(huì)合并，兩枚曲別針也會(huì)碰到一起。你可以想象一下，一個(gè)足夠軟的沙發(fā)墊，在上面放兩個(gè)球，球會(huì)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(shí)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(huì)相互排斥了。這是因?yàn)橐恢匾惠p的兩個(gè)物體在水面上漂浮，它們貼近時(shí)就是一個(gè)凹陷和一個(gè)凸起相鄰，此時(shí)表面能反而會(huì)增大，從而相互排斥。

谷物圈效應(yīng)在設(shè)計(jì)微型機(jī)器人時(shí)有很大作用。如果在一小片水面上有多個(gè)微型機(jī)器，或是一個(gè)機(jī)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(jī)器人的設(shè)計(jì)中是不可或缺的因素，甚至決定了微型機(jī)器人研發(fā)的成敗。

了解了這些，我們以后與朋友的聊天時(shí)就不再局限于“吃谷物圈會(huì)不會(huì)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(lái)是不是很高大上？