一團纖維在風中會如何運動？這不僅關乎造紙、還關乎氣候變化

天下 09-21

探索纖維在風中翻滾時的物理性質具有廣泛的應用價值，涉及從造紙加工技術到海洋浮游生物等眾多應用領域。

風中的纖維；供圖：mikeledray通過Shutterstock

來源 | AIP Inside Science

作者 | Yuen Yiu

在微風中，上下翻滾的塑料袋看起來或許不僅僅是一種美，這其中是否還蘊含著某種科學原理呢？答案是肯定的，甚至我們並不需要它是塑料袋，僅僅是一根細線就可以辦到。最近，《物理評論快報》雜誌接受了一篇描述控制纖維在湍流中翻滾運動的規律的論文。這篇論文中的信息可能具有廣泛的應用價值，將涉及從提高紙張製造工藝中的能源利用效率，到預測那些需要從大氣中吸收二氧化碳的海洋微生物的數量等眾多方面。

在這項最新的研究中，來自法國的科學家們通過使用高速攝像機，捕捉了大小不同的纖維在一箱攪拌的水中亂舞的運動。

來自法國馬賽市艾克斯-馬賽大學的物理學家戈蒂埃·維希爾（Gautier Verhille）參與了該項研究。他介紹說，這個研究的目的是為了了解纖維的大小和形狀如何與湍流的強弱和速度之間相互作用，從而影響纖維的翻滾方式。

格雷格?沃斯(Greg Voth)是來自美國康涅狄格州的衛斯理大學的流體物理學家，他並沒有參與這項研究。他說到：「隨著高速攝像機技術的進步，現在通過實驗去追蹤湍流中纖維的運動軌跡，變得越來越可行。」

設想一下，在河的中央有一個漩渦。如果是一根稻草扔進這個盤旋的水流中，它可能會繞著漩渦的外圍移動，而如果是一根木頭的話，它則可能會卡在漩渦的中間旋轉。通過檢測不同長度和厚度的纖維在湍流中表現出的差異性運動，維希爾教授和他的研究團隊改進了現有的預測纖維臨界行為的模型，即翻滾中的纖維，比如漿紙纖維，如何從稻草運動模式過渡到木頭運動模式。

一根稻草和一根木頭，在旋渦中會做不同的運動；圖片來自網路

沃斯教授說:「這項研究在許多應用領域都有很重要的價值，比如造紙工業。要知道，每年全球投入到造紙生產中能源可不是一個小數目。」

同時，研究翻滾的棍狀結構的物理性質具有更為廣泛的應用。它可以幫助科學家們研究海洋中浮游生物的運動以及雲層中冰晶的形成。這兩個問題都是當今氣候變化研究中的熱點課題，這是由於浮游生物可以從大氣中吸收二氧化碳，而雲層則會將太陽光反射到遠離地球的方向。

沃斯教授繼續介紹說：「浮游生物的運動對海洋生態系統影響很大，這些浮游生物中，有一些呈現出細長的針狀形狀，而這項研究將幫助科學家們去理解它們是如何隨著洋流流動而運動的，即其是如何進食和生活的。」

各種各樣的海洋浮游生物，有一些呈針狀；圖片來源於網路

然而，只對單個翻滾纖維的研究僅能呈現該物理圖像中的一小部分。為了完美地模擬這些系統，科學家們目前還正在研究這些小棒或纖維之間是如何相互作用的。雖然日常生活中，我們都能成功解開口袋中纏繞的耳機線，但對於科學家們來說，如何理解糾纏在一起的纖維的動力學特徵依然是需要繼續努攻克的研究課題。根據維希爾教授的觀點，目前我們仍然缺乏一個有效的模型去恰當地描述纖維纏繞後形成的團塊，即「絮體」，以及在這些絮體形成後，如何描述其大小和強度。這是一項正在進行中的研究，它聚集了各個學科的專家，包括生物學、氣象學，再到聚合物工程等多方學科。

維希爾教授和他的同事們也一直在研究纖維絮體的行為，他們的研究對象是在法國南部海灘上滾動的干海藻球，如同莫哈韋沙漠中的風滾草一般。