旋转杯中的液体和珠子，揭开粒子物理学重要奥秘学术资讯

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本文开头提到的葡萄酒会顺时针旋转，是因为葡萄酒是液体，类似于低摩擦力状态下的颗粒状介质，而煎饼是固体，类似于高摩擦力状态下的颗粒状介质。当煎饼锅旋转时，煎饼的边缘与锅的边缘之间会产生很强的摩擦力，从而让煎饼朝相反的方向旋转。

论文第一作者、美国哈佛大学（Harvard）约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）应用物理学研究生Lisa Lee介绍道：“宏观粒子的集合非常有趣。根据具体条件，它们既可以表现得像液体，又可以表现得像固体。例如，沙漏中的沙子能像液体一样流动，而沙滩上的沙子却能像固体一样支撑你的体重。”几十年来，这些物质如何从液态转变为固态一直是一个悬而未决的难题。

Lee的研究小组发现，有少量珠子的集合要比有大量珠子的集合内部所产生的有效摩擦力小，这就导致了它们从液体性质变为固体性质。Lee解释道：“单个粒子朝一个方向滚动时，摩擦力会很小。然而，许多粒子朝同一方向滚动时，彼此相互接触就会产生大量的摩擦，从而导致这个粒子集合固化并改变其物理行为。”就如同煎饼一样，旋转的固体颗粒会与容器边缘产生摩擦，从而开始向相反的方向旋转。

Lee与共同作者John Paul Ryan和Miranda Holmes-Cerfon通过计算机模拟实验证明，当所有的摩擦力都被消除后，无论这个集合中有多少颗粒，它们都不会固化。换句话说，如果这些粒子更粗糙，它们就能更快地从液体转变为固体。

该论文的资深作者、SEAS应用物理学副教授Shmuel Rubinstein评论道：“这个实验是一个有趣的例子——系统规模的行为取决于个体元素之间的局部交互作用，而相干循环现象的出现是最近很多人感兴趣的课题，例如二维湍流或活动旋流器。不过最酷的是，对于同样的物理现象，我们竟然可以通过一个盘子和一把弹珠就能轻易地模拟。”

科界原创

编译：朱明逸

审稿：三水

责编：雷鑫宇

期刊来源：《物理评论E》

期刊编号： 2470-0045

原文链接：

https://phys.org/news/2019-08-pancake-problem.html