Purcell 的扇贝
Purcell 画了一只只有一个铰链的扇贝,它只会张开和合拢。在高雷诺数下,它可以慢慢张开、猛地合上,快的那一下就把身体推出去。真实的扇贝足够大,可以这样做;Lauga 和 Powers 在脚注里指出,真扇贝是在高雷诺数下游的。
到了低雷诺数,这一招就失灵了。Purcell 在图注里说,时间无关紧要,要紧的只有形状的先后顺序。贝壳合得快也好、慢也好,身体走的距离都一样;再张开时,身体又正好退回同样的距离。
只有一种变形方式的泳者,都会碰到这个麻烦。一个铰链能做的周期运动,只有沿同一条路去了再回来。Purcell 把这样的运动叫作往复运动。
快慢从式子里消掉了
用几个数描述泳者的形状,比如铰链角,或者两条手臂的长度。斯托克斯流是线性、即时的。泳者每一刻的速度,是这几个数变化快慢的线性组合,系数只取决于此刻的形状。
把速度对时间积分,得到走过的距离。形状的变化率和时间步长正好相消,剩下的是沿形状空间里那条路径的积分。Lauga 和 Powers 在方程 14 到 17 里走了这一遍。同一条路径走快一倍,积分结果一样。
整个推理只用了两件事:流动方程里没有时间导数,速度对形状变化率是线性的。推理里完全没提泳者的几何形状,所以它一次就管住了所有往复泳者。
回程抵掉去程
往复划法沿一条路径从一个形状走到另一个形状,再沿原路返回。回程积分就是去程积分把上下限对调,两者正好相消。Lauga 和 Powers 把它写成方程 18。整个周期的位移为零,前后两半的快慢分配得再不均匀也一样。
泳者在每半程里其实都在动,定理说的只是后半程会把它带回来。想要往前走,形状就得换一条路回来,让形状空间里的路径圈住一块面积。只有一个自由度时找不到这样的路,泳者至少需要两种互相独立的变形方式。
完整例题
三球泳者的往复划法
下一章的三球泳者有两条手臂,两种划法都做得出来。取默认参数:小球半径一微米,在水里,两条手臂起初都是十微米。
先只把左臂缩到六微米,再伸回去。缩短时,中间的小球向左移动 1.353 微米;伸长时,它又向右移回 1.353 微米。把缩短的动作加快十倍,每半程用的时间变了,两段距离都保持原样。
实验里的往复预设让两条手臂一起从十微米缩到六微米,再一起伸回。算出的每周期位移在运算精度内为零,小于千万分之一纳米。这一圈照样要耗散约 7.08 阿焦的能量:黏性摩擦前后两半都要付,距离却正好抵消。
定理管到哪里,又在哪里失效
Lauga 和 Powers 特别指出,证明里从没用到周围环境的形状。只要流动服从斯托克斯方程,往复泳者在墙边、在窄通道里,也都走不出原地。严格说来,定理要求问题里所有雷诺数都为零;惯性一旦进来,定理怎样失效,综述引了专门的研究。
划法打破往复对称,是能游的必要条件,却还不够。Lauga 和 Powers 举了一个反例:两个互为镜像的泳者头对头放着,合起来看动作是非往复的,可镜像对称让它们的质心哪儿也去不了。
最要紧的是流体本身。在高分子溶液里,应力还取决于流体片刻之前的变形,时间又回到了方程里。综述讲了一张在模型黏弹性流体(Oldroyd-B 流体)里的薄片:它用三分之一周期向右传波,再用三分之二周期向左传波。动作虽然往复,薄片却得到了净位移,因为它的速度不再随波的频率线性变化。一群泳者也能绕开定理:Lauga 和 Powers 指出,两个各自游不动的往复泳者,可以借助彼此之间的流体作用一起游起来。