覆水難收？這就教你回到過去的方法 | 科學DIY

作者 實驗君

常識告訴我們，顏色混合後就沒法分離了，對吧？

今天我們又來反常識了。

用今天的驚人實驗就可以把顏色分離，讓它們回到過去。

當然了，這也是彩條牙膏的顏色不會混合的原因。

關鍵概念

層流

材料和工具

一大一小2個透明杯子，或者也可以把塑料水瓶剪成2個水杯

透明的洗潔精，或洗手液，或透明的洗髮水或沐浴露，或葡萄糖漿，或甘油

4個夾子

幾種不同的食品色素，或顏料

空的眼藥水瓶子，或滴管

操作步驟

1. 在大的杯子里倒入洗潔精（或上面提到的替代液體），倒入的量約為杯子的1/4。

2. 在小的杯子里倒入水。倒入水的目的是使它不會整個漂浮在大杯子液體的表面。

3. 把小杯子放到大杯子裡面，調整水和洗潔精的量，使洗潔精差不多能夠到大杯的杯口。

4. 在大杯的杯口上均勻地夾上4個夾子。4個夾子的功能是使小杯子的位置固定。

5. 用洗潔精和不同的色素調製幾份不同顏色的染料。

6. 用眼藥水瓶子分別把染料滴入大杯子里，染料之間有一定間距。

7. 現在緩慢地轉動小杯子，你可以看到染料開始混合。

注意：轉動時，小杯子盡量不要移動位置。

8. 現在往迴轉，你可以看到染料又分開了。很神奇吧！

實驗原理

這個神奇的實驗是一個叫做 John P Heller 的石油科學家在1960年發明的，當時他把實驗發表在《美國物理學期刊》（American Journal of Physics）上。

最開始，Heller 使用的是甘油，實驗儀器是一種高大上的裝置，叫做庫愛特粘度計（Couette viscomete）。後來數不清的老師在流體力學課上用簡單的杯子為學生展示這個反常識的「魔術」。

所以到底為什麼染料不會混合呢？還記得我們之前解釋過彩條牙膏不會混合的原理嗎？（點我回顧）。讓彩條牙膏的顏色不會混合的原因是因為牙膏的粘度很大，因此牙膏流動時只能是「層流」（laminar flow），也就是說流體就像一根一根分明的繩子一樣各自流動，不會攪和在一起。

層流的反面是湍流，也就是液體互相混合。粘度小的流體容易湍流，因此我們平時看到的水流基本都是湍流。

▲ 先層流再湍流

在我們的實驗里，因為洗潔精粘度很大，所以在流動時也是層流。

雖然我們知道粘度是決定流體層流或湍流的一大因素，不過現在沒有人能夠預測湍流的具體數學形式。

有了湍流的數學模型有什麼用呢？

就比如拿飛機設計來講吧，因為沒有精確的數學模型，現在在設計飛機時，工程師們必須要建造昂貴的風洞，然後才能獲得寶貴的數據。顯然有了數學模型以後就不需要做這些耗時耗力的裝置了。

▲ 風洞

由於湍流的數學模型有很大的實用價值，因此著名的克雷數學研究所（Clay Mathematics Institute）在2000年5月為湍流的數學模型問題（納維-斯托克斯存在性與光滑性）專門設立了一個價值1百萬美金的獎——千禧年大獎，專門用來獎勵第一個解決湍流數學模型問題的人。

▲ 克雷數學研究所所標

克雷數學研究所一直為那些世紀數學難題設立獎項，比如著名的龐加萊猜想。我們知道俄羅斯數學家格里戈里·佩雷爾曼在2002年解決了龐加萊猜想，克雷數學研究所為此給他頒發了千禧年大獎，但是被他壕不感動地拒絕了。接著佩雷爾曼選擇去隱居，留下身後功與名。

▲ 2010年被拍到的佩雷爾曼

如果你能夠解決湍流模型的世紀難題，你也可以高傲地拒絕克雷數學研究所的一百萬美金大獎。

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圖片及參考資料來源：

wikipedia

https://makezine.com/2010/10/29/jaw-dropping-laminar-flow-demo-appe/

https://www.rbth.com/articles/2010/05/31/the_making_of_a_genius_a_million_dollar_mystery