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Sandbox Physics
低雷诺数游动 · 边学边做实验

L3 · 第 7 章

靠柔软的尾巴和旋转的螺旋绕开扇贝定理

办法有两种。一直朝一个方向转的螺旋,运动永远不会倒回去。一端被来回摆动的柔软尾巴,去程和回程弯得不一样,形状便沿尾巴传成一列波。两种动作都能产生推力,原因是细丝横着动受的阻力,大约是顺着动的两倍。阻力系数理论把这个两倍换算成游速;波往哪边传,泳者就往反方向游。

Purcell 的两个答案

证明扇贝游不动之后,Purcell 在图 9 里给了两条出路。一支柔软的桨来回摆动,前半程往一边弯,后半程往另一边弯。回程经过的形状和去程不同,扇贝定理就管不着了。硬桨只会原路往返。

第二条出路是螺旋。让它一直朝同一方向转,运动从来不倒放,也就完全绕开了定理。Purcell 说过,这样的泳者往哪边走并不显然。他的图 10 画了大肠杆菌和它的鞭毛,菌体约两微米长。

横着拖,阻力是顺着拖的两倍

细杆在黏性流体里运动,受的阻力和运动方向有关。Lauga 和 Powers 把细杆看成一串小球,再把各个小球的点力流场加起来。按长径比对数的倒数取最低阶,横着走的一小段,单位长度阻力是顺着走的两倍。速度的两个分量各有自己的阻力系数。

有了这种各向异性,靠阻力产生推力才有可能。斜着走的一小段,受的阻力既不正对速度,也不正好横穿细杆,其中一部分沿细丝方向推。Lauga 和 Powers 证明,要得到净推力,各段的速度和取向都必须沿细丝变化,一列波正好两样都提供。

综述也把这套理论的局限说得很清楚。它按长度与半径之比的对数倒数展开,只有半径比长度小上指数级的细丝,结果才准确。细长体理论在这方面更进一步。

f=−ξ∥u∥−ξ⊥u⊥,ξ⊥=2ξ∥=4πηln⁡(L/a)\mathbf{f}=-\xi_{\parallel}\mathbf{u}_{\parallel}-\xi_{\perp}\mathbf{u}_{\perp},\qquad\xi_{\perp}=2\xi_{\parallel}=\frac{4\pi\eta}{\ln(L/a)}

完整例题

行进波带来的游速

取一根长十微米、半径十纳米的细丝,这个半径与 Lauga 和 Powers 给出的细菌鞭毛半径相当。长度与半径之比的对数约为 6.9,在水里横向阻力系数是 1.82 毫帕秒,顺向是 0.91。

让一列小正弦波沿它传播:振幅半微米,波长十微米,每秒三十个波。波速是每秒 300 微米。Lauga 和 Powers 的方程 36 给出平均游速;阻力比取二、不带头部时,它化为波速的一半乘以波数与振幅乘积的平方。这里波数乘振幅是 0.314,细丝以每秒约 14.8 微米前进,方向和波的传播方向相反。

有两处值得细看。游速与振幅的平方成正比,波高加倍,游速变成四倍。头部会拖慢泳者:方程 36 要除以一加上头部阻力与细丝顺向阻力之比。半径一微米的球形头部,阻力约是这根细丝顺向阻力的两倍,游速因此降到原来的三分之一左右,约每秒 4.8 微米。

⟨U⟩=−ξ⊥−ξ∥2ξ∥ ωkb21+ξ0a/(ξ∥L)ξ0=0, ξ⊥=2ξ∥:⟨U⟩=−12 c (kb)2=−12 (300 μm s−1) (0.314)2≈−14.8 μm s−1\begin{aligned}\langle U\rangle&=-\frac{\xi_{\perp}-\xi_{\parallel}}{2\xi_{\parallel}}\,\frac{\omega kb^{2}}{1+\xi_{0}a/(\xi_{\parallel}L)}\\\xi_{0}=0,\ \xi_{\perp}=2\xi_{\parallel}&:\qquad\langle U\rangle=-\tfrac{1}{2}\,c\,(kb)^{2}=-\tfrac{1}{2}\,(300\ \mu\mathrm{m\,s^{-1}})\,(0.314)^{2}\approx-14.8\ \mu\mathrm{m\,s^{-1}}\end{aligned}

柔软的尾巴自己造出波

精子靠分布在整条尾巴上的分子马达驱动弯曲波。Machin 问了一个更简单的问题:只摆动一端会怎样?Lauga 和 Powers 让细丝的弹性弯曲力与横向阻力平衡,得到一个超扩散方程,即方程 48。方程里的时间导数打破了运动学可逆性。根部哪怕只是单纯地来回摆,也会有波沿细丝往下传,因为远处的部分总是落后于根部。

这些波的波长和衰减长度由一个穿透长度决定:弯曲刚度除以横向阻力与频率之积,再开四次方。摆得慢,细丝实际上是硬的,划法是往复的,泳者原地不动。摆得快,运动在很短距离内就消失了,大半条细丝只添阻力。Lauga 和 Powers 认为,穿透长度和细丝长度差不多时推进最好;两者之比叫作精子数。

转动也遵循同样的道理。一根直杆绕自身轴线转,产生的推力为零;Lauga 和 Powers 提到,鞭毛变直的突变大肠杆菌就游不起来。螺旋形状负责把转动变成推力,菌体则反向转动,让泳者所受的总力矩保持为零。

ξ⊥∂h∂t=−A ∂4h∂x4,ℓ=(Aξ⊥ω)1/4,Sp=Lℓ\xi_{\perp}\frac{\partial h}{\partial t}=-A\,\frac{\partial^{4}h}{\partial x^{4}},\qquad\ell=\left(\frac{A}{\xi_{\perp}\omega}\right)^{1/4},\qquad\mathrm{Sp}=\frac{L}{\ell}

三颗小球用的是同一招

三球泳者绕开定理的方式,是同一招的缩小版。它的四步划水按固定顺序把形状变化从一条手臂传到另一条手臂,在形状空间里的圈也就圈住了面积。尾巴上的行进波用的是许多个自由度:每一小段都经过和邻段相同的形状,只是晚一点。

顺序一反,泳者也反过来走。实验的默认划法里,左臂先动,泳者向右走,也就是朝后动的那条手臂一侧前进。细丝则逆着自己的波游。Purcell 关于方向的提醒对两者都适用;对三颗小球来说,第五章里圈面积的正负号给出了答案。

带着问题动手

先预测,再改变,最后解释

  1. “四步划水,向前游”里左臂先动,泳者向右走。先预测:换成右臂先动,会怎样?
  2. 运行“倒着画圈,倒着游”,再把它的“每周期前进距离”和“每周期耗散能量”与正向预设比较。
  3. 用形状变化从一条手臂传到另一条手臂的先后顺序解释结果,再和柔软尾巴上传播的波对照。

三球泳者实验用点力斯托克斯流耦合三颗等大的小球,水域没有边界,墙、邻居和热噪声都没有计入。

试着自己解释

1. 一小段细杆斜着走,速度与轴线成 45 度,横向阻力是顺向的两倍。阻力指向哪里?

展开答案与解释

阻力的横向分量是顺向分量的两倍,所以它与轴线约成 63 度,偏离运动方向约 18 度。靠阻力产生推力,来源就是这个偏角。

2. 例题里行进波的振幅加倍,游速怎样变?

展开答案与解释

只要小振幅公式还成立,游速变成四倍,约每秒 59 微米。波数乘振幅已经接近 0.63,这个假设开始吃紧。

3. 细丝的弯曲刚度变成十六倍,穿透长度怎样变?

展开答案与解释

变成两倍,因为穿透长度与弯曲刚度的四次方根成正比。

4. 又直又硬的鞭毛绕自身轴线转,细菌为什么会留在原地?

展开答案与解释

Lauga 和 Powers 提到,鞭毛变直的突变大肠杆菌游不起来。直杆绕自身轴线转动时,中心线留在原处,没有哪一段横扫过流体,阻力的各向异性给出的推力为零。

可以放在旁边读的来源

  1. Purcell, Life at low Reynolds number, American Journal of Physics 45, 3 (1977)

    读了第 3 至 6 页,包括图 3 的雷诺数估计、图 4 的滑行例子、图 6 的扇贝定理、图 7 的双铰泳者,以及图 9 的柔软桨与螺旋。第 7 至 11 页没有读。

  2. Lauga & Powers, The hydrodynamics of swimming microorganisms, arXiv:0812.2887v1 (2008); Reports on Progress in Physics 72, 096601 (2009)

    读的是预印本。第 3、4 节给出斯托克斯方程、点力流场和扇贝定理的证明;第 5 至 7 节讲阻力系数理论、柔性细丝、壁面和同步。

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