悬浮液上的振动克服了重力

自20世纪50年代以来，流体在振动作用下出现的与直觉相反的现象引起了人们极大的研究兴趣。例如，在振动的流体体积中，气泡可以下沉，重颗粒可以上升1-3。此外，通过以相对较高的频率(100赫兹或更高)垂直摇晃系统，可以将一层流体悬浮在空气层之上。4.在“自然”杂志上撰文，Apffel等人。5报告与振动、悬浮的流体层相关的另一个显著现象：物体可以颠倒地漂浮在流体的下界面上，就像重力被倒置一样(图1)。这些现象具有很大的实际应用潜力3，例如在涉及悬浮在流体中的气泡的系统中(如用于气液反应的鼓泡塔反应器)，以及在流体中分离和输送物质包裹体(如用于选矿和废水处理)。

振动流体的非凡行为只是更普遍的高频振动引起的令人惊讶的现象中的一小部分。可能记录最充分的例子是Stephenson-Kapitza摆6，其中刚性摆从悬浮点的振动点倒立平衡，以及Cheromei摆2，在该摆中，当杆垂直振动时，可以沿着杆滑动的垫圈似乎“漂浮”。

为了研究高频振动的物理效应，力学和流变学领域的专门分支早就建立起来了。这类研究表明，除了在类似的非振动系统中施加的力之外，在振动系统中还存在时间平均力，称为振动力。正是这些振动力导致了看似矛盾的现象，包括振动液体中的气泡下沉，以及空气2、3上方的液层悬浮。振动力已在实际应用中使用，例如实现几个物体旋转的自同步，以及分离和运输材料7。

阿普菲尔和他的同事现在在振动力可以做什么的列表中增加了反向浮动。在他们的实验中，作者将粘性液体装满容器，并使用振动装置以高频垂直振动液体。在临界深度以下加入液体的气泡下沉到容器的底部。作者将下沉的气泡充气，以产生一个稳定的空气层，液体漂浮在上面。所研究的悬浮液最大体积为0.5升，最大宽度为20厘米。值得注意的是，阿普菲尔等人。观察到小物体(质量达7克，长度或直径2.5厘米)在气液界面的下侧上下漂浮(图1)。

为了解释他们的观察，作者们提出，当系统垂直振动时，施加在流体上的有效重力-作用在垂直加速系统上的表观重力-以及施加在水下和漂浮体上的有效重力，会随着时间振荡。漂浮在流体下界面上的物体的浸没体积也随时间振荡。阿普菲尔和他的同事提出，这会导致对身体施加一个时间平均的力。这种力具有“反重力”效应，对于频率为80 Hz或以上的垂直振动，使物体能够漂浮在流体的下部界面上。就像Stephenson-Kapitza摆6和Cheromei摆2一样，Apffel和他的同事的振动系统的稳定状态对应于势能极大值，而不是极小值。

作者提出了一种相对简单的反浮现象的数学描述。这种描述涉及一些简化的假设，例如通过假设空气层中的压力和层的高度之间的关系是线性的。这些简化在一定程度上限制了作者理论描述实验系统行为的准确性，导致了与观测结果的微小差异。

还值得注意的是，在很大的气体体积浓度范围内，饱和气体中的音速惊人地低，这也被观察到会产生反重力效应3。例如，对于30-70%的空气浓度，音速仅为每秒20米3；相比之下，空气中的音速约为340 m s-1，水中的音速约为1,450 m s-1。当声速如此低时，一个甚至几个纵向(压缩)驻波可以在50 Hz数量级的频率下适合高度为1 m的振动体积。沉重的刚性粒子和气泡被吸引到这些驻波的最小和最大振幅点，导致重力抵消效应。

Apffel和他的同事的工作表明