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二维湍流之肥皂膜上的小世界（笔记）: 热度 10 zhongwei2284 2015-6-5 10:38; 第一章：肥皂膜与 2D 湍流 1 、肥皂泡与肥皂膜小时候，吹泡泡是经常玩耍的一个游戏，我们总是喜欢吹出一个泡泡然后追逐不舍，阳光下肥皂泡总是显现出动人的舞姿，绚丽的色彩还有丰富的变化。当颜色变淡，一声轻轻的撕裂声，泡泡破了，这是一种多么怀念的感觉呢！当仔细观察吹出来的肥皂泡的时候会发现，肥皂泡由于自身的特别的构造和成分，色彩斑斓，但是随着时间的推移，泡泡上面的小世界在发生着惊人的变化，颜色开始混杂，仿佛风气云涌，然后变化越来越快，直到最后，在空气中的泡泡看上去只剩下了一个可怜的骨架，随之而来的便是破裂时最后的声响。（ a ）（ b ）（ c ） Fig.1(a) 一个空中飞舞的肥皂泡 ;(b) 一个人肥皂泡的破裂 ;(c) 泡泡表演 . （图片来自网络）对于肥皂膜的研究和探索这已经进行了数百年，因为它美丽动人，更因为它蕴含哲理，肥皂泡被用来做了一系列很有意思的研究和演示，《 The Science of Soap Films and Soap Bubbles 》一书中介绍了许多漂亮的例子，看看这书实在美不胜收，再自己动手做做会更加感觉到它的美。就连魔术师也经常喜欢用肥皂泡泡表演一出出动人的魔术呢！下面的 Fig.2 是肥皂泡上面的肥皂膜的骨架。仅仅只有几微米厚的肥皂膜竟然能够有那么丰富多彩的变化真的是一件很了不起的事情！或许我们该多关心关系那些我们生活中常见的家伙们，也许就是习惯让我们把它们忘记了，但是往往它们身上就蕴藏着大自然赋予的深刻的奥秘。 Fig.2 肥皂膜以及肥皂泡的骨架（来自 M.Rutgers 制作的 ppt ） 2 、二维湍流流体力学中，一直有一个诱人却让无数爱它的人头疼的课题，那就是湍流问题，数百年来，人们在观察和实践中看到了许许多多湍流现象。当流体从层流过渡到湍流的时候，流体的性质发生了巨大的变化，看上去貌似已经不可捉摸，然而，科学的目的就是为了了解未知的事物并发现其中蕴含的规律，这是科学家们的无止境的追求。在湍流研究的道路上曾经闪耀着无数人的名字： G.I.Tylor 、 A.N.Kolmogorov 、 G.K.Batchelor 、 R.Kraichnan 、 P.G.Saffman 、 F.Frisch ······其中 Kolmogorov 得到的著名的关于能谱的-5/3 定律，这个无疑是湍流史上最重要的成就之一。当然，关于湍流至今我们也没有完全了解它，朗道也曾经提出过一个湍流模型可惜后面被证明是错误的。由于二维湍流相对于三维湍流而言简单的多，因此，关于二维湍流的理论早就有了， Kraichnan 以及 Batchelor 等等都在这里做了非常多非常优秀的开创性工作。例如预言了动能能谱的 k -3 规律以及拟能能谱的 k -1 的规律。 2D 与 3D 湍流的基本区别在于三维的涡量可以因涡的拉伸而增强但是二维湍流的涡量只能耗散。因此在二维湍流中涡量和拟能都像能量 E 一样近似是一个守恒量。在三维湍流的 cascade （级串）图像中，当粘性不起作用可以忽略的时候，动能是从大的尺度转移到小的尺度的，而二维的湍流中则预言有一个直接的传到小尺度的拟能级串以及传递到更大的尺度的能量逆级串！当然对于衰减的二维湍流，逆级串是不存在的。 3 、肥皂膜与二维湍流早期，Y· Couder 以及M.Gharib 等用一系列实验测量了肥皂泡的性质，主要是肥皂膜上面的卡门涡街以及涡的相互作用的实验，这给后面的研究提供了很大的帮助。而二维湍流之所以让人着迷是因为相比于三维湍流而言，二维湍流简单的多，并且有可能运用到一些几何物理问题中。 (a) (b) Fig.3Y.Couder （左）以及 M.Gharib （右）的实验的示意图对于发现肥皂膜可以用来研究二维的湍流，这个是一个惊喜。因为虽然二维湍流的理论已经有了很多年，后面还有了一些计算机的模拟结果，但是一直在实验上没有找到一个合适的平台研究二维湍流，虽然相比于地球地，球表面表面的海洋中充满了许多准二维的湍流的例子，但是做为实验研究这显然并不合适，因此理论的验证工作也就停滞不前。当发现肥皂膜是一个很好的湍流研究系统的时候，小小的肥皂膜变成了实验室的宠儿，对二维或者严格的说是准二维湍流的实验研究就取得了很大的进展并且发现了许多有用的结果。第二章：肥皂膜上湍流的产生 1 、实验平台虽然吹的泡泡在空中飘荡的时候，由于重力之类的作用，肥皂膜上也会产生湍流，但是这并不能给我们的实验需要提供太多的帮助，空中飘的肥皂膜随时可能破裂，而且它在运动不利于测量，我们几乎很难对它进行控制，更难以进行分析了，因此实验室中用的是制作出来的肥皂膜。如下图是实验平台 Fig.4 肥皂膜的实验平台该平台做出来的肥皂膜有以下几个好处：存在的时间长，尺寸可以随便设定，可以控制肥皂膜上流体的速度以及厚度并且能够保证厚度比较均匀，还能够迅速的重新做一个新的膜。总结一句话就是这个平台做出来的肥皂膜均匀易于控制和测量，因此这符合我们实验中的需要。再加上激光测速仪以及粒子镜像测速仪等仪器，就构成了整个实验平台的主体。有时候为了考虑尽量减少空气阻力的影响，会将实验平台放进真空室内。仿佛万事俱备，只差测量了！ 2 、湍流的“制备” 虽然有了实验平台，但是接下来还有一个很重要的问题需要解决，就是在这个肥皂膜上面制造湍流。对于湍流而言，细分之后会发现，里面充满了各种涡的融合（ merger ）、分离以及能量的输运过程。要想在这个小小的平台上面制作出湍流来该怎么做呢？之前有提到过 Y.Couder 他们的关于肥皂膜的研究工作。他们在肥皂膜上面研究了卡门涡街以及各种涡的相互作用。这给现在这个实验提供了很大的额启发和鼓舞。设想如果在肥皂膜的一端放置数十个小球体或者圆柱让肥皂膜上的流体经过后在后面产生卡门涡街，那么会是一副怎样的场景呢？无数的涡旋的相互作用最终是否导致了湍流？ Fig.5 展示了它的结果： Fig.5 肥皂膜上湍流的产生第三章：实验结果 1 、肥皂膜厚度与涡量之间的强关联与二维压缩效应下面我们看下实验测量的结果：（a）（ b ） Fig.6 上图中 a 、 b 都是实验测量的结果。其中左上的是速度场、右上的是涡量场、左下的是流线、右下的是厚度场。对于厚度场而言颜色越深的地方越薄。从上面的结果中我们可以粗略的看出来，涡量与厚度之间具有强的关联性：涡量大的地方肥皂膜越薄！由于内部的损耗和空气阻力，该湍流是衰减的（ decaying ）！中的数值模拟很好的描绘了衰减的2D湍流。为了与理论进行比较以及计算出压缩效应的重要程度，我们取了不同位置的图进行了系宗平均，从而来得到能量E=v 2 ,拟能 Ω = ω 2 ,divergence的平方的平均为，以及厚度的相对标准差为。结果如图3所示，其中是依赖于时间t（t=d/v m ），仿照中的办法用归一化的涡量的方均根ω0作为参考值.E、 Ω 、D都经过了归一化。E的误差为1-2%， Ω 、D的误差均为5%左右，而与厚度关联的误差不到5%。 Fig.7 图的说明如上图下方所示二维压缩效应由D/ Ω 的值大体表示，范围大约是0.1-0.2，我们可以看到压缩效应此时应该是不能够被忽略的。压缩效应在下游并不会耗散的厉害，但是D以及拟能都会很快的衰减。减小的最慢的当属E了，都表明E比拟能衰减的更慢，但是所得到的数据却没办法进行一个定量的比较。所得到的数据可以用来测量 Taylor-microscale Reynolds number ，其中 Taylor-microscale λ= （ E/ Ω ） 1/2 ，， ν =0.75px 2 /s 。一开始涡量和厚度的关联据推测是因为每个 comb tooth 周围的流体被 shedding vortices （脱落涡）包围造成了涡旋中心薄边缘厚的结果。这种关联的持久性表明，被平流输送的涡量和厚度大体是相类似的 way 。用图像描述就是厚度也是被像一个标量那样 advected 。 δh/h一开始的增长是由于压缩效应导致的表面张力的作用。因此对于实验得到的结果的最简单的解释是： thickness is advectedlike a passive scalar but in a compressible medium so that a term like needs to be retainedin the hydrodynamics equation for the thickness field. 2 、两点结构函数（ thetwo-point structure functions ）除了可压缩效应，肥皂膜系统还表现出了许多二维不可压缩湍流的特性：如图 5 中涡尺度的粗粒化（大涡与小涡！！）以及 Ω 比 E 衰减的更快。为了和 2D 不可压缩湍流的统计理论进行比较，我们计算了两点结构函数（ the two-pointstructure functions ）。选用实空间的分析因为我们的速度和涡量矢量的相关性如果用傅里叶分析在有限的 grid size 下面会出现问题（即： windowingeffect ！！）对五十一张图的系宗平均的纵向的速度、涡量以及拟能流的二阶结构函数计算如下，结果在 Fig.8 中所示： Fig.8 second order structure function 计算结果与理论的比较分析得到的最有意思的结果是其中η是拟能的衰减率。这与三维湍流中4/5定率同类。从Fig.8中可以看到r近似一个常数，得到了η约等于6*10 5 s -3 。相应的耗散尺度得到的 l d =0.2mm 与得到结果符合的很好！ 3 不同速度的两点的第三阶动量（ thirdmoment ）我们普遍相信 Navier-Stokes 方程支配着牛顿流体中的湍流运动。然而，从 NS 方程只能得到少数 incompressibleisotropic and homogeneous turbulence 中的结论。其中最有名的一个是关于不同速度的两点之间的三阶动量。 Kolmogorov 得到了三维中的结果其中， ν 为运动粘滞系数， ε 为整个系统的能流率，括号内的是系宗平均或者是时间的平均。当粘性不重要的时候（高雷诺数或者其他），就会得到著名的 4/5定律（注意与 Kolmogorov另一个关于能谱的-5/3定律区分！），这个定律与实验结果符合的很好！肥皂膜湍流系统中存在一些 decaying 2D turbulence 的特性，肥皂膜仅有几个微米厚，这比它自身的直径的尺度相比小的多。实验结果显示即便描述三维湍流的方程可以通过修正从而用来描述二维的湍流，但是不同项的平衡是不一样的：在二维中 forced 与 decaying 的 turbulence 的差别起到了重要的作用（一种竞争！）！最直接的效应就是 S3(r) 的变化，这与速度的关联函数有关，同时这也与能量被传输到更大的尺度联系起来。在三维耗散的湍流中 S3(r) 一直都是负的。但是在二维湍流中，实验结果表明第三阶动量在很小的尺度的时候值很小而且是负的，但是在较大尺度的时候是正的！ δ v(r) 为径向速度差！结果如 Fig.9 所示：（ a ）（ b ） Fig.9 第三阶动量的实验结果（ a ）以及一个模型结果与实验结果的比较（ b ） Fig.9(a) 中的 S3(r) 出现了有正有负。通过一定的理论推导（用的均匀绝热湍流中的理论），得到该实验结果与理论得到的结果的趋势是一致的（ Fig.9 (b) ），但是公式推导过程中，由于以下几个问题没有搞清楚因此出现了不小的偏差： l 推导过程中有些近似不恰当，如偏微分直接用偏差之比； l 该湍流可能是不够均匀的或者大尺度的时候并非绝热的； l 此时可能还没达到完全湍流； l 即便厚度很小，肥皂膜依然不能被认为是二维不可压缩的； l 此时肥皂膜的可压缩性依赖于膜上产生的毛细波的相速度，这导致了膜厚度的变化。第四章：未完的话题对于肥皂膜以及相关的实验、理论方面的工作还有很多故事，例如木星大红斑的模拟！即便是肥皂膜上面的湍流，它的拟能的级串以及能量的逆级串，还有 intermittency 湍流的间歇现象，这里都未提及。相关的研究已经有了一定的累积。相信问题总会解决的，我们的认识总是会进一步深入的。文中虽然提及了涡量与厚度的强大关联，还有可压缩性可能造成的影响，但是我们却并没有完全弄明白真相！可以随气压以及tilt角变化的空气阻力以及厚度的涨落对问题的影响仍然没有被系统的研究。在近似是高雷诺数的时候这些因素就需要更多的注意了！对于二维湍流中的三维效应，至少在现实的物理里面几乎是不能够避免的，但是很遗憾的是至今我们对它的了解也非常有限！肥皂膜厚度的涨落、海洋上的湍流涡动在大尺度上看都是非常好的二维系统但是对于小尺度而言，但细节更多的被放大之后，有些不能够被忽视的东西开始呈现并影响到最后的结果。貌似有点像量子力学与统计力学，尺度够大的时候，粒子表现出来的统计性质，当考虑到极少数的粒子的时候，统计力学又开始出现了些问题。终究还是与我们看待事物的眼光和角度有关吧！参考文献： R. Kraichnan, Phys. Fluids 10 ,1417 (1967). G. Batchelor, Phys. Fluids Suppl. II ,233 (1969). 流体中，拟能（ enstrophy ）是跟涡量的平方有关的量（类比于动能），而涡量又是速度求旋度。在量纲上涡旋拟能不具有能量的量纲，物理意义上，它是与能量的耗散率有关系。 A. Belmonte and W. I.Goldburg, Phys. Fluids, 11 ,1196(1999). Y. Couder, J. Phys. Lett. 45 , 353(1984). Y. Couder, J. M.Chomaz, and M. Rabaud, Physica (Amsterdam) 37D , 384 (1989). M.Gharib and P.Derango, Physica 37D ,406(1989). J. Chasnov,Phys. Fluids 9 , 171 (1997). M. Rivera, P.Vorobieff and R. E. Ecke, Phys. Rev. Lett. 81 , 1417,(1998). P. Vorobieff, M.Rivera and R. E. Ecke,Phys. Fluids ,11 , 2167 (1999); A. Belmonte et al.,Phys. Fluids, 11 ,1196(1999). F.Seychelles et al, Phys.Rev.Lett. 100, 144501 (2008) 注：有些没有标明的图片大多来自于 M.Rutgers 制作的 ppt 附录：肥皂膜和肥皂泡的科学.pdf; 个人分类: 那些贝壳们|8133 次阅读|17 个评论

肥皂泡的破灭也是美丽的: 热度 2 tzhoumd 2014-4-14 11:57; 今天全家去华盛顿DC看樱花，回家之前在地铁站附近看见有人表演大肥皂泡，孩子们追逐着把泡泡捅破。 1. 2. 像不像长颈鹿？泡泡被捅破的瞬间： 3. 4 5 泡泡破灭的瞬间也是美丽的： 6 7 8 9 10 11 12 以上用Canon 5D Mark III, f/2.8L IS II USM @1/1250s快门优先拍摄。; 个人分类: 摄影|4385 次阅读|2 个评论

立委围脖：怀念美国大跃进，但肥皂泡终将破灭: 热度 6 liwei999 2013-3-4 01:22; 2000 年西雅图开过一次会，那个 view 很像这个，更宽广巨大的床对着长长的转角窗户，躺在床上像是看 live 立体宽荧幕一样，有如仙境。我好几夜不怎么睡觉，就这么傻傻地看着近处的港湾和远处的雪山，感受天然美景的极致。那一年正是 dot com 最火的大跃进年代，ACL （ Association for Computational Linguistics ）非常容易得到工业界的大笔赞助，大概是我们这行年会中最奢侈的一次。我们沾光就住进了豪华旅馆的豪华间。记得报告的是问答系统，当时最热的话题。不由得怀念美国大跃进。但肥皂泡总是要破灭的。; 个人分类: 立委随笔|3199 次阅读|6 个评论

[转载]日本打造超薄肥皂泡屏幕可获3D视觉效果: crossludo 2012-7-7 09:10; 日本打造超薄肥皂泡屏幕可获3D视觉效果(图) 　　日本科学家研制出一种可以在肥皂泡上投影影像的技术，该技术或将造就全世界最薄的透明显示屏，未来这一技术将很有希望运用于平板电脑等产品身上　　北京时间7月6日消息，据国外媒体报道，人们不久之后或许就可以在肥皂泡上观看电影了！一个国际科学家小组近期研制出一种技术，可以将图像投影到肥皂泡上。他们甚至还开发出了一种超声波，用于改变肥皂泡的性质，从而实现平面或立体的不同显示效果。当然被用作显示屏的肥皂泡的配方并不是孩子们平时吹泡泡玩的那种，不过肥皂仍然是其中的主要配方。研究小组宣称这一显示屏将是世界上最薄的透明显示系统。　　英国广播公司(BBC)记者援引该项目首席科学家，日本东京大学教授落合阳一在其博客上的话说：“大家都知道，肥皂泡的表面是一层薄膜，它允许光线透过，并呈现不同的颜色。我们开发了一种超薄薄膜屏，原料是两种胶状液体。” 　　尽管传统的屏幕是不透明的，但是阳一教授和他的同事，日本筑波大学教授丰岛圭介以及美国卡内基梅陇大学教授欧亚马(Alexis Oyama)合作开发的这一款显示屏却拥有不同的透明度和反光性。研究小组成功地运用超声波技术实现了对气泡薄膜性质的控制，他们通过一台麦克风发出超声波，并借助它实施一系列的操作。超声波会改变投影图像的纹理，使其看起来显得平滑或是粗糙。　　欧亚马博士说：“传统屏幕会用同一种方式显示所有图像，但是图像应当是拥有不同的视觉属性的。”他说：“举例而言，蝴蝶的翅膀应当是反光的，而一个桌球则应当是光滑的。我们的透明显示屏可以实时改变反光性并展示不同的纹理结构。” 　　为了改变所投影图像的透明度，科学家们会尝试该通过改变所使用超声波的频率来予以实现。阳一教授在他的博客中写道：“我们的薄膜屏幕可以用超声波实现控制。这一显示屏可以改变其透明度和表面状态，这取决于我们所使用的超声波频率。”他写道：“超声波控制和超薄薄膜的配合让我们得以实现更加真实，独特而生动的图像显示。这一系统将开启显示工程的新纪元，它拥有锐利画质，透明，灵活度高。”当几个气泡屏幕相互融合，观众便可以获得3D视觉效果，甚至可以实现全息影像投影。这项技术中所采用的泡泡要远比一般意义中的肥皂泡难以破碎，由于其纹理中含有特殊的胶体物质，甚至你可以将一个物体穿过这种气泡而不至于让其破碎。未来这一技术将很有希望运用于平板电脑等产品身上。; 个人分类: 心灵游记|1204 次阅读|0 个评论

肥皂泡杂谈（2）：世界名画中的肥皂泡: 热度 2 upflyzhang 2012-1-17 07:25; 肥皂泡杂谈（2）：世界名画中的肥皂泡张宇宁博主：肥皂泡也是很多绘画艺术的重要题材，这里仅列举其中几幅较为著名的作品。欣赏这些作品的时候，我们也可以感受到人们对于肥皂泡所蕴含的哲理的不同的诠释。图一至三是三位荷兰画家17世纪的作品。我们今天欣赏这些画作的时候，更多的感受到的是无忧无虑的童趣。但遗憾的是画家们通过这些画作向人们所要传达的信息却是生命的短暂。由于肥皂泡转瞬即逝及其在破碎时刹那间的美丽，17世纪的荷兰画家通过描绘儿童吹肥皂泡等场景来表达生命的短暂，美好事物的昙花一现和死亡的无法避免等等，即拉丁文"Homo Bulla"。上述三位荷兰画家17世纪的画作正是反映了这一主题。图一两个吹空泡的小孩（ 1630年）。荷兰画家Adriaen Hanneman (1603-1671)。现藏于Norton Museum of Art。图二两个吹空泡的小孩（1670）。荷兰画家 Caspar Netscher (1639-1684)。现藏于英国国家美术馆（National Gallery）。图三吹肥皂泡的小孩（ 1635-36）。荷兰画家Gerrit Dou。现藏于National Museum of Western Art (Tokyo) 。 17世纪荷兰画家的这种对肥皂泡的理解也影响了后来欧洲的很多画作。比如图四和图五分别是18世纪法国画家Chardin和19世纪英国画家Millais的作品。画肥皂泡对画家来讲是一个不小的挑战，因为肥皂泡内部是空气，其特征不易捕捉。法国画家Chardin很好的完成了这幅作品，很可能传递了下述信息：画中的男子已接近成年，却依然沉迷于吹肥皂泡的嬉戏之中。Chardin的作品在18世纪掀起了以儿童为题材的风潮。Millais的画作同样受17世纪荷兰画家的影响，所要表现的也是生命的短暂，类似的主题在Millais的其他画作中亦可看到。但在维多利亚时代的英国，人们对肥皂泡的理解却和画作所要表达的信息却大相径庭。在英国人眼里，肥皂泡更多的是和童年的天真无邪联系起来。这也就解释了为什么 Millais的画作后来被A. F. Pears公司相中，用于其生产的香皂的广告宣传。该广告取得了巨大的成功，影响了几代人，不仅给公司带来很可观的经济收入，画家本人也因此广获赞誉。画中的小孩是以Millais的4岁的孙子William Milbourne James为原型创作的，这幅画是如此有名，以至于James即使已经成为了英国海军上将，人们仍然将他跟吹肥皂泡的小孩联系在一起。图四肥皂泡（after 1739）。法国画家 Jean-Baptiste-Siméon Chardin (1699 - 1779)。现藏于Los Angeles County Museum of Art。图五空泡（又名儿童的世界，1886年）。英国画家Sir John Everett Millais (1829-1896)。现藏于Lady Lever Art Gallery。; 个人分类: 趣说空泡|6041 次阅读|2 个评论

从吹肥皂泡说起: 热度 15 武际可 2011-10-5 06:53; 从吹肥皂泡说起武际可（北京大学力学与工程科学系， 100871 ）摘要：文章从肥皂泡的历史展开，谈到为什么添加了少量洗涤剂的液体就可以吹出大的气泡，还讨论了肥皂泡的色彩成因。进而从科学发展的角度说明肥皂泡与数学、物理学、生物学和力学以及结构工程的密切关系和一些待解决的问题。关键词：肥皂泡，薄膜，充气结构，力学吹肥皂泡很有趣，不少人小时候玩过。一个个滚圆的球，漂浮在空中，还呈现出绚丽的颜色，煞是好看。不过，好看的肥皂泡总是过一会儿就破灭了，所以文学家们形容某些美好而不现实的事，说是肥皂泡的幻灭。美国著名作家马克吐温写过富有激情的句子来歌颂它：“肥皂泡，你呀，自然界最激动人心的和最奇异的现象。” 肥皂泡的历史很久了，图 2 画的是一位少年在认真地吹肥皂泡，旁边有一个小孩在注视。它是在 200 多年前，法国画家西蒙（ Jean –Baptiste -Siméon ， 1699 － 1779) 于 1739 年画的一幅油画。这幅油画现在藏在美国大都会艺术博物馆。肥皂泡不仅是文学家、艺术家的对象，也是科学家研究的对象。英国著名的物理学家开尔文（ Kelvin ， Lord William Thomson ， 1824-1907 ）说过：“吹一个肥皂泡并且观察它，你会用毕生之力研究它，并且由它引出一堂又一堂的物理课程。” 物理学家对它有兴趣，通过它可以研究表面张力、研究光在薄膜上的干涉作用、研究物质的吸附作用等等。不过岂止物理学家，数学家对它有兴趣，通过它研究最小曲面，研究泛函的极值；生物学家对它有兴趣，通过它研究生物体内的薄膜、研究薄膜的生化机理。力学家受它的启发研究薄膜充气结构，顷刻间就可以支起一座容纳上万人的会场。在材料的生产中，要研究肥皂泡有关的问题，如泡沫塑料、泡沫水泥；有时候还要避免泡沫的形成，因为废水中过多的泡沫会对环境造成污染。一百多年来有上千篇的学术论文发表在与肥皂泡有关的课题上，有成百的学术专著出版论及肥皂泡。在这里，我们要开始讨论的第一个问题是：水和肥皂水都是液体，为什么水就吹不起泡泡而肥皂水就能呢？原来物质的分子一般都有一种附着于别的物质表面上的能力，物理学家称之为吸附。有的物质吸附能力特别强，称为表面活性物质，有的物质吸附力很弱或者根本没有，就称为弱活性物质甚至是没有活性的物质。两张纸之间没有吸附力，所以邮票和信封粘不在一起。但如果在邮票与信封之间涂了一层吸附力很强的浆糊或胶水，邮票和信封就牢固地粘在一起了。吸附现象不但存在于固体与液体之间，在固体与气体之间、液体与气体之间、液体与液体之间都会存在。现在我们来看水，水的分子与别的物质之间的表面活性就不太强，例如有油脂的东西就粘不上水，所以要纯粹用水来洗干净带油渍的衣服是很困难的。而肥皂或洗净剂之类的物质却有极强的表面活性，它一方面与水分子吸附力很强，另一方面与油脂分子的吸附力也很强。用添加了肥皂或洗净剂的水洗带油渍的衣物，这些添加剂就能把油渍吸附住，并且把它拉到水里，所以洗起来就轻松多了。顺便讲一点写字的经验，要用毛笔往未脱脂的棉布上或有油脂的纸上写字，是很困难的，因为墨汁与油脂没有吸附力。不过如果用肥皂往要写字的布或纸上擦几下，再写就没有困难了。或者往墨汁里加一滴洗涤剂，也可以起到同样的效果。我们回到气泡的问题。水不仅与别的物质之间的吸附力不太强，就是水的分子之间的亲和力也比较弱，所以要把纯粹的水吹出气泡来很不容易，稍微扰动一下就破了。但是如果在水里添加了少量吸附力很强的肥皂或洗涤剂，这些添加剂就在水分子之间发挥了吸附作用，使得水分子之间变得不易脱开。于是对这种有添加剂的液体吹气泡就很容易，吹出的气泡即使经过很大的扰动也不会破裂。这就是用肥皂水能吹出绚丽夺目的肥皂泡的道理。其次，我们来讨论在阳光下肥皂泡的颜色。肥皂膜本身是无色的，就像一张透明的玻璃纸一样，阳光在肥皂膜的正面和背面都会产生反射。当阳光穿过正面，遇到了背面，立刻反射回来；反射回来的光线回到正面，又会引起一定的反射。肥皂膜又很薄，大约只有几微米厚。这样从正面反射的阳光和反面反射的阳光有的地方波峰加在一起，光线就增强，有的地方波谷加在一起，光线就变暗。阳光又是由 7 种单色光组成的，如果在肥皂薄膜的某一处恰好使得两股反射回来的红光相互抵消了，在这个地方看到的就是失去了红光的阳光，看上去就是蓝绿色。而在另一部分，某种色光得到了加强，呈现出来的就是另一种颜色。肥皂泡就是这样把阳光分解，呈现色彩斑斓的图案。贝壳和珍珠的表面、水面上漂浮的汽油膜都会有这种彩色，也都是由于材料的表面薄膜产生的光的干涉所造成的。下面让我们介绍一下与肥皂泡有关的一个著名的数学问题。这个数学问题是以比利时物理学家泊拉托（ Joseph Plateau ， 1801-1883 ）命名的，称为泊拉托问题。问题是：在空间过指定的边界曲线的所有曲面中，求其中面积最小的曲面。泊拉托是一位实验物理学家，他用铅丝弯成各种空间闭曲线环，然后把这个曲线往肥皂水中一抄。在这个“环”上立即绷上了一层肥皂膜，因为薄膜非常薄，薄膜的自重几乎可以略去不计，所以在只有表面张力作用下，这张薄膜自然可以非常近似地看作面积是最小的。在实验上这么信手一抄就得到的解，这却使数学家们大伤脑筋。在数学上如果给定了一条空间边界曲线的方程，怎样解出最小曲面的表达式来。这可不是一件轻而易举的事。开始时连这种曲面的存在性也没有得到证明。后来美国数学家道格拉斯（ Jesse Douglas ， 1897-1965 ）给出了存在性的证明和求解的途径。不过问题并没有完，数学家们不满足在三维空间里解决这个问题，他们要把这个问题推广到高维空间上去。简单地说，要在 n+1 维空间中给定 n 维闭流形，求一个通过这个闭流形的 n+1 维流形，其体积度量最小。这一下问题的难度就更大了，迄今虽然研究有许多进展，不过离彻底解决还是有一段距离的。现在让我们回到肥皂泡的力学问题上来。在 20 世纪初，德国学者普朗特（ L.Plandtl ， 1875-1953 ）在研究弹性柱体的扭转时，发现在柱体中应力函数所满足的方程和在自重下薄膜满足的方程是一样的。由于这个方程是偏微分方程，当时计算是很困难的。于是提出用测量薄膜的等高线，来得到受扭转柱体内应力流曲线。这就是当时在工程界常用的薄膜比拟法，在现代计算机产生之前，它曾经是求解弹性柱体扭转应力的主要办法。肥皂泡是在表面张力和内部的气体压力作用下的一个球状结构。近年来，人们仿照肥皂泡的原理造成了许多大型结构。大致可以分为两类，一类是用薄膜做成气囊，或多个气囊的组合，用气泵往气囊充气后，气囊鼓起来，称为充气结构。图 4 是 1986 年建于加拿大温哥华的一座多功能大厅，就是充气结构，可以容纳 8 万人。它可以作展厅，也可以作体育比赛用。图 5 是它的内部。另一类是用金属制造一些刚度很大的框架，然后把薄膜绷到框架上，它类似于前面泊拉托所做的肥皂膜实验，也称为薄膜结构。图 6 所示的是一座发电厂的大型冷却塔。以往这种冷却塔都是用钢筋混凝土建成的，现在只要制造成所需要的框架，然后把一定质量的薄膜绷上去，就可以了。既省工又省料。目前，充气和薄膜结构使用的范围愈来愈广，从充气屋顶、充气大厅、充气枕头、充气床到充气玩具，不一而足。薄膜结构也日益扩展它的市场，古老的油布伞、船上的帆都可以看作这类薄膜结构，现在薄膜屋顶、薄膜帐篷用得也很普及。充气和薄膜结构的强度和变形的计算是一个典型的力学问题。前面我们看到，一个肥皂膜的问题已经使数学家伤透了脑筋，而真实的薄膜结构除了有充气压力，薄膜的张力之外，还要在结构上添加许多绳索和约束，就使得计算更为复杂了。不过不管怎样复杂，力学家和结构工程师总还是能够想办法近似计算的。在生物体内，不管是动物还是植物，都存在各种各样的薄膜。小的说，每个细胞都是包在细胞膜内包裹着细胞质的结构。这里面不仅有力学问题还有物质通过薄膜的输运问题和有关的生物化学问题。仅仅就生物薄膜的变形和强度问题，在一门新的学科（生物力学）中就构成一个主要的研究方向。总之，从肥皂泡引申开来，与它有关的问题是如此之多，如果把它涉及的方方面面都研究清楚，不仅一个人的毕生之力不够用。就是人类集体之力，也不是一朝一夕能够弄清楚的，你有兴趣试试吗？; 个人分类: 科普|19738 次阅读|22 个评论

7.4：和新雨同学交流之后: thegreatlake 2011-7-4 22:36; 今天主要是最反应器进行了固定工作，而且考虑到将排气系统接到新雨同学的管子上面。和其做了交流，得出一下结论。 1、关于连接阀的问题，不要使用现在的塑料阀门，因为就目前来讲，很容易会被腐蚀掉。说是一则是铜，一则是什么材质的，这一个和新雨同学做进一步交流，探听清楚这里面的材质问题，考虑为何会被腐蚀，注意到氮氧化物和硫氧化物都是酸性气体。注意之。腐蚀后会对气密性产生比较大的影响，所以势必注意。 2、关于实验开始前和实验开始后需要注意到：实验开始前需要通氮气三十分钟，实验结束后也需要通氮气三十分钟，以免残存的一氧化氮被氧化为二氧化氮，从而导致管道的颜色变化以及腐蚀问题。必须注意实验结束后，及时对反应器进行及时的氮气气体清洗。 3、关于尾气排放的问题注意到使用三氧化铬氧化管，记住明天和陈老师做一下沟通，看看是否可以购置到该管，尾气的处理是个大问题。另外关于整个系统的气密性，关注之。利用肥皂泡进行排查，同时必须注意到NO的微量或许对其排查不出来，但是其还是存在一定问题的。 4、关于NO减压器，据新雨同学讲貌似存在一定的漏气现象，尽管不能排查出来，但是还是建议进行更换，因为考虑到该减压器还是存在一定的问题的，减压表的读数着实是不准确，考虑更换。 5、最近需要去购置一些比较靠谱的固定螺丝钉，并且注意购买金属的阀门，以及部分的二通阀。 6、新雨同学的中空纤维膜管可以考虑借鉴使用的，这其实也是一个比较靠谱的吸收塔，只是有别于传统的鼓泡装置和搅拌反应器，这样实际上可以对其动力学等等进行考察，而又不和别人是一样的。 7、秋燕同学给我提及了鼓泡反应器的问题，主要是筛板的问题，说是孔是不可以透过液体的，只可以透过气体，液体是透过一溢流堰通过，从而使得二者得以混合。仅此而已。需要进一步阅读化工原理书，对其进行进一步的思考，得出比较靠谱的想法，或者尽量能够得到实验室容易实现的吸收装置。; 个人分类: 生活点滴|4 次阅读|0 个评论

用诱导性干细胞离体培养出器官移植所需要的器官只是一美丽的肥皂泡: 热度 2 Eucommia 2010-5-27 08:34; 近来有关人造生命的新闻炒得沸沸扬扬，但仔细看来还是一典型的以吸引眼球为目的的“名词创新”，还要借用原来的细胞，怎么是人造呢？我的这篇博文已写完好久了，现在发出来，与“人造生命”抗抗衡：现在已有越来越多证据说明，诱导性干细胞与癌干细胞没有本质区别。这一点连它的发明人也已承认。我这里要说的是想用此类干细胞离体培养出可用于医疗性器官移植的器官只是一美丽的肥皂泡，然而这可是此类研究之所以能轻易拿到大笔研究经费的原因所在，也是文章多发表在顶尖杂志上的原因。所以我要在此以对植物器官和组织再生的几十年研究经历和对动物学有关研究的了解，戳穿这一肥皂泡，以让真正有利于医疗实践发展的研究得到支持。植物的克隆早在1958年就成功了，可是动物的克隆成功却是在39年后的1997年。而且严格讲动物的克隆水平根本与植物的克隆不在一个数量级上。在植物中是能把取自营养体的组织块或单个细胞，甚至是去壁的原生质体培养成一个完整植株或某一器官（根、茎叶系统、叶、花、果），而动物仅仅是把体细胞核移植到卵细胞中培养成胚胎，而且细胞分裂几次后就必须移植到代孕母亲的子宫中才能发育成胚胎，就是现在热的发烫的诱导性干细胞发育成胚也必须移植到代孕母亲的子宫中。二者之所以有这么大的区别，绝不是因为动物学研究者没有植物学研究者那么聪明，更不是动物学研究者的经费少（实际正好相反），而是因为动物和植物的获取营养的方式不同，因而所要求的位置信息就不同。植物属于自养生物，其根可直接从它所接触的土壤环境中获取无机盐和水，叶和其他绿色组织可从大气中获取二氧化碳和光能，进而通过光合作用和各种合成作用生产出自身生长发育所需要的一切有机物质。种子植物的大小孢子和雌雄配子体发育过程中就是分别靠其相邻的珠心组织细胞和绒毡层细胞的编程死亡（programmedcelldeath）提供营养，而胚胎的发育过程则靠其周围的胚乳细胞的编程死亡，所以当这些该死的细胞死的太早或太晚都会引起它们所滋养的幼小植物体的败育（死亡）。而动物则属于异养生物，不仅不能吸收光能合成有机物质，也很少能直接吸收无机盐自己合成所需要的有机物，就是在代谢过程中许多较小分子的氨基酸也不能自己合成。而大分子的有机物也很难通过动物体表面直接吸收到体内，所以要通过口将植物（食草动物）或动物（食肉动物）切碎吞入体内，进而通过消化系统消化吸收，还要通过循环系统运送到身体各部位，再通过自身的代谢活动满足生长发育对营养的需求，就是代谢活动所需要的氧也不能像植物那样靠身体表面的简单器官（气孔或皮孔）与外界环境直接进行气体交换来满足，而是要有专门的呼吸系统和血液循环系统来完成。因此植物在细胞或组织培养中可直接在固体或液体培养基上发育成完整的植物体或器官，其个体很小时，甚至单个细胞中就分化有可进行光合作用的叶绿体，不仅分化出的根可从培养基直接吸收营养物质，即使没有根的幼小茎叶系统（shoot）也可。动物的细胞或组织培养则不同，只有单个细胞或少数几个细胞组成的细胞团才能从培养基中吸收营养。所以克隆的胚胎分裂少数几次后就要移植到代孕母亲的子宫内坐床，逐步形成能从母体吸收营养的脐带，胚胎发育中要逐步形成自己的消化系统、呼吸系统和循环系统等。我们知道任何一个动物的器官都有着复杂的结构，都有着庞大的循环系统的血管、神经系统的神经……它们都是在胚胎发育中逐步发育成的，在离体培养条件下能发育成吗？没有其他器官的存在他们的营养如何获得？难道也要像胚胎那样移植到人体内吗？这不同样有伦理问题吗？移植到动物体内能发育出人类器官吗？如果用人类基因改造成能发育人类器官的动物就没有伦理问题吗？那还是动物吗？再说了，几个细胞的幼小器官移植到体内能像胚胎那样通过坐床就成为母体的一部分吗？显然不能。由上述可见，靠诱导性干细胞离体培养出医疗性器官移植所需要的人体器官是像制造永动机一样不可能实现的美丽肥皂泡。那么这样的病人就永远没希望了吗，不，希望就在徐荣祥大夫的思路和做法，就是原位再生。因为人体内组成各种器官的许多细胞都可在一定条件下脱分化成为干细胞，它们就可在相应部位分裂分化出组成该器官的细胞取代旧的的失去功能的细胞（可能发生指令性程序死亡（ＰＣＤ）），因为人体是一个整体，现在对PCD的研究说明在生物体发育过程中正常的组织器官发育过程中许多不必要的、甚至有害的细胞都会发生指令性ＰＣＤ，以保证正常组织器官的发育，而且一旦这些该死的细胞不死就会是正常发育的器官或胚胎死亡。像植物中的胚乳和胚的关系，小孢子及雄配子体与绒毡层的关系，大孢子及雌配子体与珠心组织的关系。因此这可能不仅是医疗一些器官衰竭的新思路，还可能是医疗癌症的新思路。; 个人分类: 未分类|9147 次阅读|5 个评论

自我实现的肥皂泡: 考槃在涧 2008-12-9 13:44; 美丽可爱的小女孩吹肥皂泡，现在你能从吹肥皂泡中获得乐趣和幸福么？（ http://academy.fengniao.com/59/597140.html ）宇宙其实是个大肥皂泡，特别的庞大，特别的持久。我们能看到宇宙在膨胀，其实是上帝在吹牛。终于一天，牛皮要吹破。（ http://www.cnblogs.com/eandyi/archive/ 2005/07/11 /190729.html ）肥皂泡破裂的瞬间也是美。宇宙的牛皮吹破了，可能会更美。（ http://feiyoshang.yo2.cn/2007/06/19/%e4%bb%a5%e8%ae%ba%e6%96%87%e7%9a%84%e5%90%8d%e4%b9%89%e7%9e%8e%e6%90%9e/ ）生命就像秋天的蝉一样，短暂而壮美。让我们唱歌吧。一切都是虚妄，只要选对尺度在今年第 12 期《科幻世界》中，刊登了王晋康的大作《决战美杜莎》。小说中，一位腰缠万贯的商人向科学家们提出了一个命题：如何将一尊刻有他名字的雕像保存 150 亿年？这几乎是个不可完成的任务，因为大家认为， 150 亿年后，我们现在所在的宇宙也将不存在，我们现在的一切都将失去。所以一切都是虚妄，只要选对尺度。昨天的我是不存在的，无迹可寻的；昨天的欢愉只残存在记忆之中，最后，连这一点残存的记忆也会被雨打风吹去，零落成泥碾作尘，化作春泥更护花。最后小说里给出的解决方案是做一个完全由中子构成的中子大脑，这个中子大脑甚至还复制了这位科学迷富翁的意识，是一个智能中子大脑。向即将坍缩为黑洞的中子星发射这个中子大脑，相对于我们的宇宙来说，这个中子大脑获得了永生科幻小说始终只是科幻小说，连黑洞也在不断蒸发，只要时间足够长，就没有什么是永恒的肥皂泡总会破灭，但存在过世界上没有不破灭的肥皂泡，但它们都真的存在过。追求永生的秦始皇最后选择了猝死，他本可以再多活三五年。人间的很多悲剧，源于我们总想建立不朽功业这样的妄念。在射雕英雄传最后一章《华山论剑》里，傻郭靖和成吉思汗如此对话：成吉思汗勒马四顾，忽道：靖儿，我所建大国，历代莫可与比。自国土中心达于诸方极边之地，东南西北皆有一年行程。你说古今英雄，有谁及得上我？郭靖沉吟片刻，说道：大汗武功之盛，古来无人能及。只是大汗一人威风赫赫，天下却不知积了多少白骨，流了多少孤儿寡妇之泪。成吉思汗双眉竖起，举起马鞭就要往郭靖头顶劈将下去，但见他凛然不惧的望着自己，马鞭扬在半空却不落下，喝道：你说甚么？郭靖心想：自今而后，与大汗未必有再见之日，纵然惹他恼怒，心中言语终须说个明白。当下昂然说道：大汗，你养我教我，逼死我母，这些私人恩怨，此刻也不必说了。我只想问你一句：人死之后，葬在地下，占得多少土地？成吉思汗一怔，马鞭打个圈儿，道：那也不过这般大小。郭靖道：是啊，那你杀这么多人，流这么多血，占了这么多国土，到头来又有何用？成吉思汗默然不语。郭靖又道：自来英雄而为当世钦仰、后人追慕，必是为民造福、爱护百姓之人。以我之见，杀得人多却未必算是英雄。成吉思汗道：难道我一生就没做过甚么好事？郭靖道：好事自然是有，而且也很大，只是你南征西伐，积尸如山，那功罪是非，可就难说得很了。他生性戆直，心中想到甚么就说甚么。成吉思汗一生自负，此际被他这么一顿数说，竟然难以辩驳，回首前尘，勒马回顾，不禁茫然若失，过了半晌，哇的一声，一大口鲜血喷在地下。郭靖吓了一跳，才知自己把话说重了，忙伸手扶住，说道：大汗，你回去歇歇。我言语多有冒犯，请你恕罪。成吉思汗淡淡一笑，一张脸全成蜡黄，叹道：我左右之人，没一个如你这般大胆，敢跟我说几句真心话。随即眉毛一扬，脸现傲色，朗声道：我一生纵横天下，灭国无数，依你说竟算不得英雄？嘿，真是孩子话！在马臀上猛抽一鞭，急驰而回。当晚成吉思汗崩于金帐之中，临死之际，口里喃喃念着：英雄，英雄想是心中一直琢磨着郭靖的那番言语。每一个生命本身才是上天的恩赐和不朽的杰作，对生命的肆意伤害不是任何功业可以弥补抵消的。生命就像是肥皂泡，总会破裂的，但真实地存在过；而功业从来没有真实的存在过，它只存在于人们的妄念之中。在《勇敢的心》里，威廉 . 华莱士说， Everyone dies, not everyone really lives. 同样都是肥皂泡，我做最美丽的那个，不是最大的那个。留下什么不是存在过的证据，存在不需要证据自我实现是一种态度其实，只要把肥皂泡看成肥皂泡，而不是当成什么值得你争我夺的东西，那么，肥皂泡瞬间的美丽不是也可以带来一些愉悦吗？郑融老师此番真言，是典型的自我实现。马斯洛把人的需求分为五层次（英文维基百科关于需要五层次理论的介绍），最高境界是自我实现。简单说就是一个衣食无忧的小孩子在海滩边上自得其乐地堆城堡，任海浪冲走他的城堡仍然哈哈大笑，他享受的是过程。自我实现是一种态度，与成就无关。百度百科关于自我实现的解释：自我实现，里面还有关于自我实现的自测。做一做权当玩笑吧，我的分数是 54 分。（解释一下平均分 45.02 和标准差 4.95 这两个数据。标准差是方差的算术平方根。标准差能反映一个数据集的离散程度。详细情况见维基百科：标准差。就智商测量来说，一般我们把超出正常值三个标准差以外的人称为天才，大概是 150 分以上。就这个测量来说，我们可以近似的这么去理解：得分在 45.02 4.95 之间的，都可以算成是平均水平，超出的则是倾向于自我实现的，低于的则是倾向于易受环境和他人价值观影响。）渴望是成就之源真正引导一个人取得成就的，是渴望。一个没有渴望的人是没有动力的。只不过，渴望有可能来源于饥饿，有可能来源于欲望，有可能来自于爱，有可能来自于恨，有可能来自于兴趣，有可能来自于野心一个饥饿的人才会四处疯狂寻找食物，一个已经吃饱的人不会；当一个人饿怕了，他就会形成搜集食物的习惯；一个没有爱的人才会四处索爱，而一个已经被爱填满的人；一个对权力充满渴望的人才会不择手段的去追求权位，一个淡泊名利的人不会。取得世俗意义上的成功，不需要一个伟大的动机，只需要足够的渴望和一定的天赋。只是最大的那个肥皂泡，不一定是最美的；而往往肥皂泡越大，也就越容易破裂。吹一个美丽的肥皂泡，还是吹一个最大的肥皂泡，这是个问题。美是上帝赐给人的天赋，大是社会赋予给人的价值。淡泊是幸福之源是的，幸福的肥皂泡不一定是最大的那个。弱智儿童快乐多，因为弱智儿童欲望少。每个人都在怀念童年的快乐时光，童年的时候你会盯着别人家的大别墅吗？你会盯着路上美女的水蛇腰吗？你眼里也许是一颗糖果，一个纸烟盒，一个用竹子做的竹蜻蜓，一顿肯德基。欲壑难平。《小窗幽记》云：费长房缩不尽相思地 , 女娲氏补不完离恨天。相思也好，离恨也好，都是欲。《菜根谭》云：一场闲富贵，狠狠争来，虽得还是失；百岁好光阴，忙忙过了，纵寿亦为夭。可见争闲富贵莫若惜好光阴。如今休去便休去，若觅了时无了时我们经常对自己说，我再赚 500 万，就不干了；我再玩两天，就不玩了；我再如今休去便休去，若觅了时无了时。还等什么？还在用那些世俗的，别人的价值来捆绑住自己？还在在意别人评价自己的眼光？去吹自己的肥皂泡吧，反正所有的肥皂泡最终都回破裂。午后的蝉声这是一首很自我实现的音乐。简洁的配器，就像生命那么简洁。贯穿始终的吉他，使得音乐的基调是一首平易近人的民谣，仿佛是午后坐在树底下轻轻的弹着吉他，浅吟低唱；时而在高音区出现的钢琴声，像是生命中那些令我们激动和澎湃的心情；若有似无的口琴，好像邻家的女孩子被琴声吸引，带着口琴出来一起唱和。音乐在口琴的悠扬声中落下帷幕，仿佛是奶奶在藤椅上摇晃，仿佛是生命在时光里摇晃，仿佛是时间的影子回荡在风中生命就像蝉一样，短暂而壮美。让我们一起来歌唱吧。以此文和郑融君一起唱歌。陈昇午后的蝉声孩子千万别这么做你看着我秋天的蝉只有七天好活生命它来去太匆匆就让它飞舞在天空善良的心蝉儿会知道的西瓜皮和鼻涕伴随着我在梦中才出现童年仿佛如昨老奶奶坐在藤椅上面看着我带着我的孩子要寻找树梢的蝉声那年的事奶奶不记得牢生命象一首透明的歌轻柔地唱着没有重复老奶奶笑着在梦中回到她自己的童年孩子他问我生命是什么象一首歌吧我的孩子你看秋天的蝉只能活七天但是它们都爱唱歌我们来唱歌吧; 个人分类: 心外有物|11248 次阅读|14 个评论

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