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Sandbox Physics
低雷诺数游动 · 边学边做实验

L1 · 第 1 章

微生物一停手就停住

对一个一微米大小的泳者来说,水的黏性比惯性强出几万倍。它一停止用力,滑出的距离还不到一个原子宽。每一点前进都只能来自这一刻身体的动作,微生物只好用鱼从来用不着的办法游。

一个数,比较滑行和黏滞

在泳池里蹬一下池壁,人能滑出一个身长左右。水能载着你走,是因为身上的动量要花一点时间才耗完。要是把你缩到细菌那么大,同样的水会把你牢牢拽住,几乎一瞬间就停下。

物理学家用雷诺数比较这两种作用。把泳者的大小、速度和水的密度乘起来,再除以水的黏度,就得到雷诺数。黏度描述液体有多黏,蜂蜜比水难搅,就是因为黏度大。雷诺数大,惯性占上风,物体能滑行;雷诺数小,黏性占上风,推力一停,运动也停。

1977 年,Purcell 在一次演讲里给出了粗略的数:人游泳时雷诺数约一万,金鱼约一百,游动的微生物约万分之一。人和微生物之间,隔着八个数量级。

Re=ρ v aη=v aν\mathrm{Re}=\frac{\rho\,v\,a}{\eta}=\frac{v\,a}{\nu}

滑不出一个原子

Purcell 细算过一个例子。一个一微米大的小动物,在水里以每秒三十微米的速度游,雷诺数约十万分之三。它突然停止划动,只会再滑大约十分之一埃,比一个原子的直径还小得多。

这个量级可以自己粗略验算。半径一微米、密度和水差不多的小球,大约五分之一微秒就失去速度。按每秒三十微米算,这段时间里它走不到十分之一埃,和 Purcell 的结果在同一个量级。

Purcell 还把情景倒过来讲。想体会微生物的处境,就想象自己泡在一池糖浆里,身上任何部位每分钟都动不过一厘米。如果在这种限制下,两三个星期还能游出几米,你就是在用微生物的方式游泳。

只有眼前这一下推力算数

Purcell 用一句话概括后果:你此刻在做什么,完全由此刻作用在你身上的力决定,和过去毫无关系。微生物身上没有攒下的动量可用,每一瞬间的速度都由那一瞬间的受力决定。

这对划水方式有个出人意料的影响。鱼可以快速向一边甩尾,再慢慢收回,快的那一下占便宜。对微生物来讲,划得快慢都一样:手臂慢慢动和快快动,身体走过的距离相同。于是,一个原样倒回去的动作,会把身体带回出发点。Purcell 把这叫作扇贝定理,第三章会证明它。

微生物照样能游。细菌转动螺旋形的鞭毛,精子沿尾巴传出弯曲的波,这门课里的简单模型则让三颗小球沿着一个圈改变间距。这些动作有个共同点:去的时候和回来的时候不一样。

扑翼会在身后留下尾迹

雷诺数高的时候,运动的物体把动量交给流体,流体会一直带着它。扑动的翅膀甩出一个个旋涡,翅膀过去很久,旋涡还在往前漂。这些旋涡带走的,正是翅膀交给流体的动量。

在微生物的世界里,什么也留不下。划动一停,身边的流动也跟着停。下面两个实验看起来差别很大,原因就在这里:扑翼每拍一次,尾迹都还在继续变化;三球泳者的小球,只在手臂长度变化时移动。

带着问题动手

先预测,再改变,最后解释

  1. 打开三球泳者实验前,先猜一猜:两条手臂一起缩短、再一起伸长,泳者最后停在哪里?
  2. 先运行“原路往返,原地不动”,再运行“四步划水,向前游”。然后打开扑翼实验,看每拍之后还在移动的旋涡。
  3. 解释扑翼为什么会留下移动的尾迹,而三颗小球只在手臂长度变化时才移动。

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。 扑翼实验用二维无黏涡面板模型,代表对照里有惯性的一方。

试着自己解释

1. 金鱼和细菌同时停止游动。按各自的身长来算,谁滑得更远?

展开答案与解释

金鱼。它的雷诺数约是细菌的一百万倍,用身长衡量的滑行距离随雷诺数增大。金鱼停下前还能明显滑一段,细菌在不到一个原子的距离里就停住了。

2. Purcell 例子里的微生物如果游快一倍,雷诺数怎样变?它会开始滑行吗?

展开答案与解释

雷诺数翻倍,约十万分之六。滑行距离也大约翻倍,到零点二埃左右,仍远小于一个原子。就算快上一千倍,黏性依旧远远占上风。

3. 为什么 Purcell 的糖浆泳者必须动得那么慢?

展开答案与解释

要把一个人的雷诺数压到微生物那样低,就得让黏度很大、速度很小。糖浆把黏度提上去,每分钟一厘米的速度上限再把速度压下来,两者合起来,把人一样大的泳者推向细菌所在的低雷诺数范围。

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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