为什么静止的冰块在融化时会开始旋转?

时间:2020-09-03 09:11:35   作者:
融化冰块的明显自旋转是一个有趣的现象,我一直在思考一些驱动机制来解释它。

当冰块处于0摄氏度以上的环境中时,热量就会从温暖的环境中流向冰块。这增加了分子的动能,打破了氢键,形成了液态水。

从我在网上看到的有趣的阅读材料和我目前学习的流体力学中,我想到了融化冰块的自我旋转的可能解释:

融化的冰向下流动所产生的漩涡引起旋转。如果把一块冰块放在热水中,融化的冰块比周围的热水更冷,密度更大。冷水下沉,把外围的温水吸进来,形成一个漩涡。通过角动量守恒,涡旋诱导冰块旋转,提高了冰块的旋转速度。

气泡的热毛细对流引起冰块的粘性剪切流。这比第一条更难理解,但这是一个非常有趣的现象。这适用于一种常见的情况,即冰块产生的气泡附着在一个金属锅上,而冰块就是在这个金属锅上融化的。当冰块融化时,它的质心会发生变化,增加的动能会产生随机的运动。冰块的运动在冰块下面的气泡表面产生了温度梯度。对于单个气泡,温度梯度意味着有一个较暖的一面和一个较冷的一面。温度较高的一侧表面张力较小,而温度较低的一侧表面张力较大。表面张力的这种变化会影响自由表面流动(在这种情况下是冰块),因为为了使表面处于平衡状态,剪切应力必须与表面张力梯度的方向相反。假设球形气泡没有传热,这将导致粘性剪切流——与冰立方的运动有关——在增加表面张力的方向上

(上面描述的是马拉贡尼流的温度依赖情况,由于表面张力梯度的界面输运。这就是众所周知的热毛细管效应。)

有趣的部分是:测试假设

我在厨房里测试了1号,但温度梯度明显小得多:我把一个冰块放在一个干净、平坦的表面上(所以不用热水),然后注意到冰块融化时滑动和一些微妙的旋转。我认为出现轻微的旋转是因为刚刚融化的冰,比之前融化的冰稍冷,下沉,造成轻微的混合,从而使冰块旋转。提高温度梯度可达到更高的转速

半个世纪前,国家流体力学委员会制作了一段令人难以置信的“流体力学中的表面张力”视频,受到这段视频的启发,我试着测试了第2条。跳到25:30,你会看到马兰戈尼气泡流推动冰块融化。(我只能用自制的冰块在金属锅上泡几个泡。如果你有什么想法,我很乐意听听!)

为什么静止的冰块在融化时会开始旋转?
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