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Sandbox Physics
低雷诺数游动 · 边学边做实验

L3 · 第 5 章

划一圈走多远,看它在形状空间圈住多大面积

每周期的距离,是沿着划水圈在两臂长度平面上做的线积分。在这个平面上用斯托克斯定理,它就变成一个场的面积分,这个场的作用像曲率。圈子小,场在圈内几乎不变,距离就等于一个系数乘以带方向的面积。把圈反过来走,符号就反;画个 8 字,两瓣几乎抵消。

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。

ΔX=∮∂S(A1 dL1+A2 dL2)=∬SF dL1 dL2,F=∂A2∂L1−∂A1∂L2\Delta X=\oint_{\partial S}\left(A_{1}\,dL_{1}+A_{2}\,dL_{2}\right)=\iint_{S}F\,dL_{1}\,dL_{2},\qquad F=\frac{\partial A_{2}}{\partial L_{1}}-\frac{\partial A_{1}}{\partial L_{2}}

完整例题

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。

ΔX≈KA,K=a3[1ℓ12+1ℓ22−1(ℓ1+ℓ2)2]K(8,8)=1 μm3[264−1256]μm−2≈0.009115 μm−1,KA=0.009115×16≈0.146 μm\begin{aligned}\Delta X&\approx K\mathcal{A},\qquad K=\frac{a}{3}\left[\frac{1}{\ell_{1}^{2}}+\frac{1}{\ell_{2}^{2}}-\frac{1}{(\ell_{1}+\ell_{2})^{2}}\right]\\K(8,8)&=\frac{1\,\mu\mathrm{m}}{3}\left[\frac{2}{64}-\frac{1}{256}\right]\mu\mathrm{m}^{-2}\approx0.009115\,\mu\mathrm{m}^{-1},\qquad K\mathcal{A}=0.009115\times16\approx0.146\,\mu\mathrm{m}\end{aligned}

完整例题

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。

ui(t)=dicos⁡(ωt+φi),V0=K2 d1d2 ω sin⁡(φ1−φ2)=0.0091152×2×2×2π  μm s−1≈0.11  μm s−1u_{i}(t)=d_{i}\cos(\omega t+\varphi_{i}),\qquad V_{0}=\frac{K}{2}\,d_{1}d_{2}\,\omega\,\sin(\varphi_{1}-\varphi_{2})=\frac{0.009115}{2}\times2\times2\times2\pi\;\mu\mathrm{m\,s^{-1}}\approx0.11\;\mu\mathrm{m\,s^{-1}}

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。

带着问题动手

先预测,再改变,最后解释

  1. 选“小圈只看面积”之前,先预测:“每周期前进距离”会比“小圈面积律估计”大还是小?
  2. 运行小圈预设,再运行“画个 8 字,几乎抵消”。最后把正方形圈的一个角往短臂方向拖,同时看两个读数。
  3. 用形状面板的亮度解释两个读数之间的差距。亮度表示形状空间里每一小块值多少距离。

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. 默认正方形改成顺时针走,带方向的面积和每周期距离各是多少?

展开答案与解释

负十六平方微米,负 0.172 微米。每一小块面积都改变符号,距离也正好反号。

2. 一个小正方形圈中心不动,边长加倍。每周期距离怎样变?

展开答案与解释

大约变成四倍:面积变成四倍,中心处的系数不变。圈大到场在圈内明显变化时,倍数就会偏离四。

3. 两条手臂做简谐伸缩,而且完全同步,相位差为零。泳者每周期走多远?

展开答案与解释

平均下来哪儿也不去。椭圆压成一条面积为零的线段,方程 16 给出零平均速度,这种划法是往复的。

4. 用面积律估计:默认手臂,划水幅度从四微米改成两微米,每周期走多远?

展开答案与解释

正方形现在在十微米和八微米之间,中心在九微米。那里的系数约为每微米 0.00720,面积四平方微米,估计值约 0.029 微米。

K(9,9)=1 μm3[281−1324]μm−2≈0.00720 μm−1,KA≈0.00720×4≈0.029 μmK(9,9)=\frac{1\,\mu\mathrm{m}}{3}\left[\frac{2}{81}-\frac{1}{324}\right]\mu\mathrm{m}^{-2}\approx0.00720\,\mu\mathrm{m}^{-1},\qquad K\mathcal{A}\approx0.00720\times4\approx0.029\,\mu\mathrm{m}

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. Najafi & Golestanian, A simplest swimmer at low Reynolds number: three linked spheres, arXiv:cond-mat/0402070v1 (2004); Physical Review E 69, 062901 (2004)

    读的是预印本第 1 版,没有核查期刊版。用到方程 1 至 11、图 3,以及方程 10 下方正文里的例子。图 4 的曲线没有数字化。

  3. Golestanian & Ajdari, Three-sphere low Reynolds number swimmer revisited, arXiv:0711.3700v1 (2007); Physical Review E 77, 036308 (2008)

    读的是预印本第 1 版,没有核查期刊版。用到方程 1 至 6、9、12、13、16,第 IV 节的远场流动,以及脚注 23。

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