研究人员首次直接测量了“麦圈效应”的力量

普罗维登斯，R.I.(布朗大学)——每天早晨，在数百万个麦片碗中都会出现一种有趣的流体动力学现象。当牛奶上面只剩下几片麦片时，它们往往会聚集在碗的中间或边缘，而不是分散在表面上。

现在，布朗大学的一组研究人员已经开发出一种方法来测量这种类型的聚集所涉及的力量。研究人员说，这是第一次在实验中以毫米/厘米的尺度测量这些力。这项工作的意义远远超出了谷物碗——其结果可能在指导微型机器的自组装或设计在水中或水中周围操作的微型机器人方面很有用。

“有很多模型描述了这种Cheerios效应，但都是理论性的，”布朗大学本科生伊恩·何(Ian Ho)说。“尽管这是我们每天都能看到的东西，而且这对自我组装等事情很重要，但还没有人做过任何这种规模的实验测量来验证这些模型。”这就是我们在这里能够做到的。”

是一种定制的装置，用来测量人造麦片之间的吸引力。

这项研究发表在《物理评论快报》上。何的合著者是布朗大学的访问学者Giuseppe Pucci和布朗大学工程学院的助理教授Daniel Harris。

麦圈效应源于重力和表面张力的相互作用——液体表面的分子倾向于粘在一起，在表面形成一层薄膜。像Cheerios这样的小物体的重量不足以打破牛奶的表面张力，所以它们会漂浮。然而，它们的重量确实在表面薄膜上造成了一个小凹痕。当一个Cheerio凹痕足够靠近另一个凹痕时，它们就会相互融合，最终在牛奶表面形成集群。

为了测试麦圈——以及其他麦圈大小和重量范围内的物体——相互吸引的强度，研究人员使用了一种定制的设备，该设备使用磁力来测量力。这个实验包括两个麦片大小的塑料圆盘，其中一个包含一个小磁铁，漂浮在一个小浴缸里。浴缸周围的线圈会产生磁场，当另一个被固定住时，磁场会把磁化的磁盘拉走。通过测量磁盘开始相互远离时的磁场强度，研究人员可以确定吸引力的大小。

“磁场给了我们一种非机械的方式来施加力到这些物体上，”哈里斯说。“这很重要，因为我们测量的力类似于蚊子的重量，所以如果我们身体接触这些身体，我们会干扰它们的移动方式。”

实验表明，传统的相互作用数学模型实际上低估了磁碟非常靠近时的引力强度。起初，研究人员并不确定发生了什么，直到他们注意到，当两个圆盘靠近时，它们开始相互倾斜。这种倾斜使圆盘对液体表面产生更大的推力，从而增加了液体的反作用力。这额外的推动导致了磁盘之间的吸引力略有增加。

哈里斯说:“我们意识到，我们的模型有一个额外的条件不令人满意，那就是倾斜。”“当我们在模型中加入这一要素时，我们达成了更好的一致。这就是在理论和实验之间来回转换的价值所在。”

研究人员说，这些发现可能对微型机器和机器人的设计有用。例如，人们对使用小型的像蜘蛛一样的机器人进行环境监测很感兴趣。这项工作揭示了这些机器人将会遇到的各种力。

“如果你有多个小机器在移动，或者一个机器人有两条或更多的腿，你需要知道它们相互之间施加了什么力，”哈里斯说。“这是一个有趣的研究领域，我们能为它贡献一些新东西，这令人兴奋。”