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甜麦圈效应：吃早餐时的物理发现
如果您的早餐中有牛奶麦片这一选项的话，或许您也曾观察到过某个现象：泡在牛奶中的麦片并不会均匀地排布，而是三五成群地聚在一起，或贴在碗壁。
大约在70年前，有物理学家首先注意到这一现象。将其命名为：甜麦圈效应Cheerios effect。说起来有点神奇，直到2005年，哈佛大学的物理学家才就此现象给出详细的理论解释。
现在，布朗大学的研究团队开发出一种能够直接测量麦圈间作用力的方法。研究人员说，这是首次用实验在毫米/厘米尺度上测量液面变形时的力。其中的价值远不止于牛奶麦圈，对工作在液体环境中的微型机器的自组装或设计也具有现实的指导意义。
布朗大学的本科生、论文的主要作者伊恩·霍说：“之前有很多描述甜麦圈效应的理论模型，但都止步于理论。尽管我们每天都能看到这一现象，同时又具有应用意义，但一直没人设计出用于直接测量的实验。这就是我们的贡献。”
论文发表在《物理评论快报》上，合著者为布朗大学的访问学者朱塞佩·普契和布朗大学工程学院的助理教授丹尼尔·哈里斯。
理论上我们知道，甜麦圈效应由重力和表面张力的相互作用引起，这种相互作用使液体表面上的分子具有粘附在一起的趋势，从而形成一张薄膜。像麦片这样的小物体不够重，无法破坏牛奶液面的表面张力，因此会漂浮在其上。但是，它们的重量确实会在表面膜上产生小凹痕。当一个凹痕与另一个凹痕足够近时，它们会相互接近、合并，最终在牛奶表面形成麦片簇。
为了方便测量，实验中用两小片塑料盘替代麦圈。一个塑料盘内装有小磁铁，另一个卡在固定位置。液体容器周围有产生磁场的电线圈，磁场对装有磁铁的塑料片产生拉力。通过测量两片塑料开始分离的瞬时磁场强度，研究人员可以算出拉力大小。
哈里斯说：“磁场为我们提供了一种非机械的方法来向实验对象施加力。这很重要，因为我们正在测量的力，相当于蚊子所受重力，因此，如果物理接触会产生干扰。”
实验表明，塑料片非常接近时，传统的数学模型实际上会低估吸引力的强度。最初，研究人员未明所以，直到他们注意到随着两个塑料片的靠近，它们开始彼此倾斜。倾斜导致塑料片更坚硬的边缘扑入液面，这又增加了液体的反作用力。额外的推力会导致物体之间的吸引力稍大于模型的理论结果。
哈里斯说：“我们意识到，模型还有未不满足的额外条件，那就是倾斜效果。当我们在模型中添加这一因子时，就在理论和实验结果之间达成了共识。”
研究人员说，这些发现可能有助于微型机器的设计。如，像蜘蛛一样的小型机器人，可以在水面上行走以进行环境监测。这项工作就足以揭示出蜘蛛机器人每条腿的承重和液体表面张力之间的关系。