把划水画成一个圈
横轴取左臂长度,纵轴取右臂长度。三球泳者的每一种形状,都是这个平面上的一个点;每一种周期划法,都是一条首尾相接的曲线。Najafi 和 Golestanian 的四步正方形,从十、十微米那个角出发,走到六、十,再到六、六,再到十、六,最后回到起点。这是一个逆时针的圈,圈住十六平方微米。
Purcell 给他的双铰泳者画过同样的图,两个轴是两个铰链角,划法是一个圈。他把泳者往哪边走留作读者的谜题,还说答案并不显然。有了这张圈图,谜题就变成了一道计算题。
从线积分到面积
第三章把距离写成了路径积分。路径首尾相接时,它就是绕曲线一圈的线积分。格林定理把它化为圈内区域上一个标量场的积分:第二个系数沿第一条臂方向的变化率,减去第一个系数沿第二条臂方向的变化率。
这个场告诉你,形状空间里每一小块值多少距离。两条手臂都短、小球耦合强的地方,它最大;手臂变长,它就逐渐减弱。一个圈走的距离,等于把圈内每个小块上的场值加起来;逆时针的圈记正,顺时针记负。
数值基准验证了这个转换。绕默认正方形算线积分,得到 0.172091 微米;在圈住的正方形上用 60 乘 60 的网格把场加起来,得到 0.172088。两者相差十万分之二。
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默认正方形的面积律
圈子比手臂小得多时,场在圈内几乎不变,积分就成了圈中心处的场值乘以带方向的面积。Golestanian 和 Ajdari 在方程 13 里给出了这个系数。三颗小球等大时,它化为三分之一半径,乘上一个由臂长平方倒数组成的方括号。
默认正方形的中心处,两条手臂都是八微米。系数为每微米 0.009115,面积十六平方微米,估计值是 0.146 微米。完整计算给出 0.172,面积律对这个圈少算了约百分之十五。
两个近似造成了这个差距。一是圈太大:边长是臂长的一半,场在圈内有明显变化。二是小球有大小:面积律只是半径与臂长之比的最低阶。数值基准用极小的圈单独考察第二个因素,相对误差随半径与臂长之比一起缩小,逐渐接近这个比值的七分之五。实验里的小圈预设,围绕两臂都是九微米的那一点,半径 1.2 微米,面积 4.32 平方微米;它每周期走 0.0344 微米,面积律估计为 0.0311。
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平滑划水与相位差
真实的驱动器往往动得很平滑。让每条手臂绕各自的平均长度振荡,振幅各不相同,频率相同,两者之间差一个相位。形状空间里的圈于是成了椭圆,面积等于圆周率乘两个振幅,再乘相位差的正弦。
Golestanian 和 Ajdari 的方程 16 给出这种泳者的平均速度。两臂相差四分之一周期时速度最大;两臂同步,或者正好反相,椭圆压扁成一条线,速度为零。
取两臂平均长度八微米,振幅各两微米,每秒一个周期,相差四分之一周期。这时的圈是半径两微米的圆,面积约 12.6 平方微米,平均速度约每秒 0.11 微米。
反向的圈和 8 字
同一个圈改成顺时针走,每一小块面积都改变符号,距离也正好反号。实验里的反向预设每周期向左走 0.172 微米。两个方向每周期都耗散 6.93 阿焦,耗散和绕圈方向无关。
8 字形有两瓣,绕行方向相反,带方向的面积为零,面积律给出零。可两瓣所在处的场并不一样。实验里的 8 字预设,逆时针那瓣落在两臂长八到十一微米的范围,顺时针那瓣落在五到八微米的范围。短臂那瓣更“值钱”,泳者每周期向左漂 0.018 微米,约为正方形一步的十分之一,同时耗散 9.34 阿焦。圈要小到场在圈内近乎均匀,单看面积才估得准。