泡沫斜面滚乒乓球怎么最慢?
这是最近很火的“慢镜头”, 制作视频的人应该不知道 ,其实这是一个数学难题,而不是物理问题。 这个问题属于流体力学,液体中的泡沫运动问题。 这个问题最早由普林斯顿大学 的 Jeff Noebel 于2013年提出并研究。(他因此成为此问题的 “Noebel”) 。
简单来说这个问题的核心是:当颗粒在液相中运动时,它的轨迹如何? 已知条件是什么? 一个体积微小的颗粒在液体中作直线运动时的路径是一个直线; 如果存在表面活性剂、搅拌棒等外部扰动(外力)时,可能是个曲线。 这是一种非常经典的分子运动理论——洛伦兹分布。 但是如果增加一个条件,使运动的颗粒变成小球,并且有上下运动的可能呢? 此时情况就变得更加复杂了。 小球的形状有很多种,但如果认为其形状为圆球,则问题可以简化为一个旋转问题来处理。 在转动的坐标系内,根据牛顿定律,小球的运动是可以完全描述的。
但是,如果加入第二种物质,比如水溶性高分子聚合物 PNIPAAm,让体系变得更为复杂化。 这种凝胶是一种超分子材料,它具有离子型聚合物特性,在阴阳两种电荷之间的范围内,能够形成氢键。这些氢键使得这种材料的网络结构具有温度敏感性: 当温度升高,这种材料的网络结构松弛,分子间的距离增大,链节的活动能力提升,材料的溶解性变强;反之,冷却到一定温度,分子的活动能力下降,溶解度降低。 根据热力学原理,溶解度和浓度之间的关系可以用克劳修斯-克拉贝隆方程表示。 对于含有这两种物质的复合溶液,由于分子大小的不同,两种物质的扩散系数不同,存在协同和对抗效应,所以很难用简单的公式来描写这两种物质扩散的过程。 然而,人们仍然希望能够在不破坏真实性的情况下对这一过程进行模拟。
为了实现这个目标,人们引入了计算机图形学中的一种方法:基于物理模拟(PhysicaLized Simulation)。 这种方法首先需要一个驱动程序来提供物质扩散的动力。然后系统的形状通过网格生成器产生。最后在边界条件下,通过迭代,计算出每一时刻的系统状态,并将之渲染成图像。这样一步一步地,就可以实时地、原位地得到所需要的动态模拟图。