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肉眼看不见的奇妙世界

发布日期:
2017-12-15
浏览量:
81309

  眼睛作为一个视觉器官,使我们看到了周围世界里五光十色、千姿百态的景象。然而,在我们生活的现实世界里,还有许多奇妙景象是人们的肉眼看不见的。

  这是为什么呢?首先,让我们来看看,视觉是怎样形成的?大家知道,人眼对光线的刺激可以产生相当复杂的反应,表现有多种功能。当人们看东西时,物体所反射的光线经过瞳孔和晶状体,落在视网膜上,视网膜上的视神经细胞在受到光刺激后,将光信号转变成生物电信号,通过神经系统传至大脑,再根据人的经验、记忆、分析、判断、识别等极为复杂的过程而构成视觉,在大脑中形成物体的形状、明暗及颜色等概念。于是,我们这就得到了物体的影像,或者用通俗的话说,我们就看见了物体。一般而言,人眼视网膜的视角只有1分,所以能分辨的最小尺度为约为0.1毫米,当然这还和视物的距离、视力的好坏有关。此外,对于无色透明物体(例如空气等),由于光线只有透射而没有反射,人们对它们的存在和结构也往往无法辨认。因此,我们肉眼对周围世界里的许多奇妙景观是“视而不见”的,但力学可以借助于实验观察和理论计算等手段给我们揭示出一些肉眼看不见的美丽世界。这里就以2014年6月期《力学园地》的“精彩图片”栏目中的几个实例来说明之。

  1.珍珠母纳米断口景观

  

  当我们到海边度假时,都会见到各种各样的贝壳。它们形状各异、色彩艳丽,十分令人喜爱,不少人还会挑选一些最爱带回家珍藏起来。而力学家对它们的喜爱则在于它们具有非常好的强韧性,例如贝壳和粉笔的成分都是碳酸钙晶粒,但粉笔一折就断而贝壳难得多。于是,力学家把贝壳切开,然后把断口放到可以放大几十万倍的电子显微镜下进行观察。大家从这张纳米断口显微照片中可以看到,原来贝壳的内部结构具有特殊的有序排列,从外向里分别是角质层、棱柱层和珍珠母。这张照片中上端处的“珍珠母”是贝壳的最内层材料,具有非常高的断裂功(是碳酸钙晶体的3000倍)。而照片中部像飞流直下三千尺瀑布壮观的是“棱柱层”,它的抗压强度是抗拉强度的几十倍。贝壳是结构和物性完美结合的产物,它不仅为贝类软体构成了保护,也是科学家材料仿生设计的目标之一。

  2.嫦娥等等我

  

  这张对木材进行纳米压痕测试时得到的电子显微镜图像,使我们看到了木材内部的细胞!在图片的中央有一个完整的细胞,尽管周围的5个细胞是不完整的,但它表明了电镜测试的范围内有一个被细胞壁完整包围着的细胞核。根据图中所给出的标尺,我们可以知道这种木材细胞的尺度大约为40微米(1微米是1毫米的千分之一)。这个试验是为了研究木材这类纤维材料加工时的切割性能,力学家就在细胞壁的部位上压一个纳米尺度的“印痕”(1纳米是1微米的千分之一)。在压痕过程中可以测量出作用力-压痕深度的曲线来,然后力学家就可以用求算出材料的力学性能,并且告诉工程师怎么切割木材最省力。当然,这只“小兔子”在细胞核里出现是偶然的,不过搞科研时我们都要特别注意观察所有的现象。如果有过去没有观察到的而且能够重复出现的现象,就要抓住它并探讨其中的科学道理,也许就会有创新发现呢!

  3.颗粒扩散与积聚

  

  这个图片给出湍流颗粒扩散现象的图像,也是理论计算结果。“湍流”是一种常见的流动状态,此时流体的运动十分不稳定,其中各点的速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则的脉动,里面有着不同尺度的旋涡。所以,人们有时也称湍流为“紊流”,甚至“乱流”。如果,在这种流体里加入一团重颗粒,那么会发生什么现象呢?颗粒会时聚时散。图1中那个飘逸的轻纱告诉我们,重颗粒(由紫色点代表)都分布在哪里。大体而言,颗粒分散在流体的各个部位(这就是“扩散”),但在某些局部区域颗粒的浓度又比较高(这就是“积聚”)。为什么呢?力学家计算了每个时刻的湍流涡量分布(上图中图2)与颗粒浓度分布(上图中图3),比较图2和图3可以清晰地观察到大量颗粒在低涡量区产生局部积聚。这个研究很有意义的,因为颗粒扩散和积聚现象在我们的日常生活当中大量存在,例如大气中的污染物扩散、云层中的水滴分布以及化工中的反应物混合等。

  4.蝙蝠飞行中的流线

  

  蝙蝠是唯一能够飞行的哺乳动物,它们在空中盘旋自如,能迅速地捕捉昆虫。蝠翼由十多个关节和无比柔软的皮膜组成,它是怎样产生升力的呢?力学家通过求算蝙蝠在飞行中的流线来解释这个问题,当然这个计算可不像加减乘除那么简单,必须依靠计算机完成。这张俯视图给出了齁形长舌蝠周围空气的流动情况,其中每条流线的切线方向表示空气在该点的速度方向。可以看到在两翼的前缘、翼尖和翼根处都产生了旋涡(流线卷成螺旋状)。航空工程师曾发现前缘涡可以提高飞机的升力,但这种前缘涡很容易脱落,又会引起升力的突然降低,往往引起灾难性的后果(这就是飞机的“失速”)。蝙蝠能巧妙地调整蝠翼形状和飞行速度,使前缘附近形成沿翼展方向的流动,避免了前缘涡的脱落,从而确保了高升力。我们人类要学习蝙蝠的“不失速机制”来设计下一代新型飞行器。

  5.蚂蚁足表面微结构

  

  小小蚂蚁是孩子们喜爱的动物朋友之一,观看蚂蚁如何搬新家、如何运食物、如何打群仗是那么的有趣!这张图片告诉我们力学家是怎样研究蚂蚁足的?图中黑蚁照片的左侧是它的足尖的图像,这是在光学显微镜下拍摄的。可以看到,蚂蚁足的前端有两个“爪钩”,它们相互垂直,中间还长着一个“圆囊”。下面那个图像是继续放大,让大家可以看清这个圆囊结构的细节。当然,仅仅看到这些结构不能说明什么问题。我们的力学家又进一步观察研究蚂蚁是如何行走的?他们发现:如果是在粗糙表面上,蚂蚁使用两个爪钩抓住表面的突起物来实现行进的动作;如果是在光滑表面上,蚂蚁运用圆囊的反复放缩来实现行进的动作,有时它还会分泌一些液体以增加和表面间的粘附力。所以,我们现在就可以明白,为什么蚂蚁竟然可以在玻璃上行走的奥秘了!

  6.单层水分子的运动

  

  两个固体界面之间的粘附性能是力学家研究的一个重要问题,而环境有一定湿度后往往会在固体表面上形成一层“水膜”。如果湿度小于90%,一般空气中的水不会凝结成为水滴,所以有可能在表面上形成“单层”水分子膜。力学家把这么薄的水膜叫做“类固体”,因为它不会像通常的水体那样流动。力学家还告诉我们这种单分子水膜可以增加界面间的粘附力,由于这个原因,壁虎可以牢牢地贴附在有一点潮湿的表面上,但是它们无法贴附在撒有大量水的表面上。大家知道,一个水分子的直径只有0.4纳米,所以研究这种水膜的作用属于目前十分热门的“纳微力学”领域。这幅图展示的是一个计算结果,在初始时刻水分子在表面有一种排列(图中用不同颜色表示它们的初始位置),但是它们很快重新分布,达到一种热平衡状态,以满足能量最低的原则。

  7.最小的红蝙蝠

  

  人类的牙齿具有咀嚼食物、帮助发音和保持面部外形的功能。从结构而言,牙齿分为牙冠、牙颈和牙根;从组成而言,牙齿具有牙釉质、牙本质和牙髓。牙髓组织位于牙齿内部的牙髓腔内,主要包含神经、血管、淋巴和结缔组织,还有排列在牙髓外周的造牙本质细胞,其作用是造牙本质。当牙冠某一部位有龋或其它病损时,可在相应的髓腔内壁形成一层牙本质,以补偿受损的牙冠厚度。牙髓的基质富含纤维且具有粘性。这幅图是人牙髓成纤维细胞的荧光显微图片,所谓的“成纤维细胞”就是能够生成纤维的细胞。为了看清楚细胞内的情况,要对样品进行荧光注射处理。图中那些荧光闪闪的紫色圆斑就是成纤维细胞的细胞核,那一个个红色的小“蝙蝠”则是肌动蛋白丝。通过在显微镜下的连续观测,力学家可以掌握细胞是如何活动的,这样就可以研究成纤维细胞的生长过程。

  8.湍流结构图示

  

  这幅图显示了高雷诺数下均匀各向同性湍流中“涡量拟能”的等值曲面,其中色彩的变化反映了压力在这些曲面上的分布情况。虽然这是一种理想的湍流运动形式,此时流体在任意位置、向任何方向的运动都具有相同的统计特性,比如这里提到的涡量拟能(它是流体角速度的平方)。但是流动结构是复杂纷乱的,这表明了湍流在空间尺度上的复杂性和随机性。为了计算这种流体运动,需要把图中的正方体盒子分成大小相等的511×511×511个小格子,然后采用高精度的伪谱方法对这个盒子里面的流体运动做计算机模拟。在这个图示里,混乱分布的涡量拟能柱状结构看起来没有什么规律可循,但是如果长时间观察这些结构(它们会不断产生变化,比如扭曲、缠绕、产生或者消失)并对它们不断变化的数值做平均,就会发现涡量拟能统计平均值在盒子中任何位置都是相等的!正是这些复杂随机而又有规律可循的特性让湍流的研究工作变得非常有趣。