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Sandbox Physics
低雷诺数游动 · 边学边做实验

L2 · 第 4 章

三颗小球、两条手臂和一张迁移率矩阵

每颗小球的速度,等于它自身的斯托克斯阻力响应,加上另外两颗小球点力流场的贡献。再加上泳者不受外力的条件,以及规定好的两条手臂伸缩速率,就得到三个未知力的三个线性方程。对等大的小球来说,前进全部来自小球之间的耦合;把耦合关掉,质心就纹丝不动。

纸面上的泳者

Najafi 和 Golestanian 在 2004 年提出这个泳者:三颗等大的小球排在一条直线上,用两条可以伸缩的手臂相连。手臂当作细杆,不受阻力。论文把中间那颗叫 1 号球,两端叫 2 号和 3 号;这门课从左到右编为 1、2、3 号,中间那颗是 2 号。

他们的划法分四步:缩左臂,缩右臂,伸左臂,伸右臂。在两臂长度构成的平面上,每个周期画出一个正方形。手臂长十微米、划水幅度四微米时,每条手臂在十微米和六微米之间变化。

直线上的位置从左往右计。泳者的位置取三颗小球的质心。一整圈下来,每颗小球的净位移都相同,所以参考点选哪里,只影响周期内部的运动,不影响每周期走的距离。

三个力,三个方程

每颗小球都用某个力推着流体。它的速度等于这个力乘以自身的斯托克斯迁移率,再加上另外两颗小球在它球心处造成的流速。小球相距比自身大得多时,这股流就是第二章沿力方向的点力流,随间距的倒数衰减。Golestanian 和 Ajdari 把它写成方程 1 到 3,Najafi 和 Golestanian 的方程 6 也是同样的形式。

还差两个条件。没有外力推泳者,三个力之和为零;手臂伸缩速率是规定好的,相邻小球的速度差已知。三个未知力,三个线性方程。把力变成速度的那个矩阵叫迁移率矩阵。它是对称的;小球相距足够远时,它还是正定的,耗散功率因此总为正。

小球靠得太近,点力形式就不成立了。两颗球的间距小于一个半半径时,矩阵不再正定,模型会凭空造出能量。实验于是把每条手臂限制在至少三个半径长。

vi=fi6πηa+∑j≠ifj4πη ∣xi−xj∣f1+f2+f3=0,v2−v1=L˙1,v3−v2=L˙2\begin{aligned}v_{i}&=\frac{f_{i}}{6\pi\eta a}+\sum_{j\neq i}\frac{f_{j}}{4\pi\eta\,|x_{i}-x_{j}|}\\f_{1}+f_{2}+f_{3}&=0,\qquad v_{2}-v_{1}=\dot{L}_{1},\qquad v_{3}-v_{2}=\dot{L}_{2}\end{aligned}

完整例题

解出第一步开头的一瞬间

取第一步刚开始的时刻:两条手臂都是十微米,左臂以每秒三十微米缩短,右臂不动。小球半径一微米,在水里。

解三个方程,得到三颗小球的速度分别是每秒正 19.70、负 10.30、负 10.30 微米。右臂不动,中间和右边两颗球就一起走;左边那颗以每秒三十微米向它们靠拢。小球对流体的力约为正 420、负 228、负 191 飞牛,在舍入误差内加起来为零。

质心速度是三者的平均,每秒负 0.303 微米。现在把小球之间的耦合关掉,再解一次。每个力只剩自身小球的阻力,合力为零的条件让三个速度之和为零,结果是正 20、负 10、负 10,质心一动不动。对等大的小球来说,游动完全来自每颗小球在其他小球处造成的流动。

(v1,v2,v3)=(+19.70, −10.30, −10.30)  μm s−1,(f1,f2,f3)≈(+420, −228, −191)  fNX˙=13(v1+v2+v3)=−0.303  μm s−1,X˙uncoupled=13(20−10−10)=0\begin{aligned}(v_{1},v_{2},v_{3})&=(+19.70,\,-10.30,\,-10.30)\;\mu\mathrm{m\,s^{-1}},\qquad(f_{1},f_{2},f_{3})\approx(+420,\,-228,\,-191)\;\mathrm{fN}\\\dot{X}&=\tfrac{1}{3}(v_{1}+v_{2}+v_{3})=-0.303\;\mu\mathrm{m\,s^{-1}},\qquad\dot{X}_{\mathrm{uncoupled}}=\tfrac{1}{3}(20-10-10)=0\end{aligned}

完整例题

从一瞬间到一整圈

每一刻都这样解一次,再积分。四步里,中间小球的位移依次是负 1.353、正 1.439、正 1.439、负 1.353 微米。质心的各步更小,也不对称:负 0.020、正 0.106、正 0.106、负 0.020。两组数加起来都是向右 0.172 微米,因为一圈下来每颗小球的净位移相同。

前进和后退不相等,是因为耦合强弱取决于每一步发生时两条手臂有多长。第一步和第四步里,不动的那条手臂长十微米;第二步和第三步里只有六微米。一圈用时 0.533 秒,平均速度每秒 0.323 微米,每圈耗散 6.93 阿焦。

哪些量会缩放,哪些量会消掉

黏度把迁移率矩阵的每一项乘上同一个因子,于是从速度里消掉。手臂伸缩速率以线性方式出现,快慢也就从距离里消掉,第三章已经讲过。数值基准把两点都验证了:改变黏度,每周期距离在舍入误差内不变;半径、手臂和划水幅度一起放大 2.5 倍,距离也正好放大 2.5 倍。

能量的规律不一样。耗散功率等于力乘速度,两者都随伸缩快慢增大,每周期能量就与伸缩速度和黏度成正比。手臂伸缩速度从每秒十微米提到四十微米,走同样的距离,要花四倍的能量。

ΔX(sa, sL1, sL2)=s ΔX(a, L1, L2),Ecycle∝η W\Delta X(sa,\,sL_{1},\,sL_{2})=s\,\Delta X(a,\,L_{1},\,L_{2}),\qquad E_{\mathrm{cycle}}\propto\eta\,W

带着问题动手

先预测,再改变,最后解释

  1. 运行“四步划水,向前游”时,先预测:“小球半径”调小,“每周期前进距离”会变长还是变短?
  2. 调小“小球半径”,再调高“伸缩速度”。最后沿轴线拖动一端的小球,自己划一圈。
  3. 用小球之间的耦合解释:哪个改动会改变“每周期前进距离”,哪个只改变周期和能量。

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. 证明:小球之间没有流体耦合时,三颗等大小球平均下来停在原地。

展开答案与解释

没有耦合,每个力就是阻力系数乘以各自小球的速度。三个力之和为零,三个速度之和也为零,质心速度时时为零。手臂怎么动,质心都留在起点。

2. 第一步里,中间小球走了负 1.353 微米,质心只走了负 0.020 微米。为什么差这么多?

展开答案与解释

一步之内,各颗小球走的距离不同。动臂那一端的小球相对另外两颗走了约四微米,它自己约走正 2.65,另外两颗各走负 1.35。质心是三者的平均;只有走完一整圈,所有小球的净位移才相同。

3. 手臂和划水幅度不变,把小球半径从一微米加到两微米。每周期距离大致怎样变?

展开答案与解释

大约翻倍。小球远小于手臂时,游动来自与半径成正比的耦合项。这个倍数只是近似,下一阶修正随半径与臂长之比增大。

4. 黏度变成三倍,力、距离和每周期能量各怎样变?

展开答案与解释

每个力都变成三倍,同样的速度现在要三倍的推力。每周期距离保持原样,每周期能量变成三倍。

可以放在旁边读的来源

  1. 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。

  2. 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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