表面张力驱动的微型船
by Yan on 5月 21, 2008
小时候一个玩法:用小木片做船,把拔掉头的圆珠笔芯放在船尾,笔芯里面的油扩散到水面,小船就会被推动,自己开起来。
船为什么会被驱动:因为油的表面张力比水小,所以船的前后形成表面张力差。船是被前面的水面拽着走的。物理学上叫做 Marangoni 效应。
University of Texas 的 Cheng Luo 教授小时候也玩过这个。与别人不同的是,他把小时候的游戏用到了研究工作中。他做了一艘 19.5 毫克重的船,用一滴 1.49 微升的异丙醇驱动,在 1 毫米深的浅水里速度可达每秒 30 厘米。

好玩吧。这种微型船的应用是显而易见的。
链接:
Toy-Like Microboat Could Carry Tiny Cargoes
Luo, Cheng; Li, Hao; and Liu, Xinchuan. “Propulsion of microboats using isopropyl alcohol as a propellant.” Journal of Micromechanics and Microengineering, 18 (2008) 067002 (6pp).
张衡的地动仪管用吗?
by Yan on 5月 20, 2008
从小我们就知道东汉张衡发明了世界上第一台地震仪,它可以测定地震的方向,即使地震发生在千里之外。
但它真地能用来测定地震发生的方向么?
张衡的地动仪利用了惯性原理,当率先到达的纵波(P 波)来临时,中心的“都柱”会拨动震源方向的机关,让龙头张开。按照我的理解,初始振动是关键,地动仪只有在 P 波初始振动方向与震源反向的假设成立时才管用。
但我看到的资料却表明,P 波可以是膨胀波,也可以是压缩波;初始振动可以指向,也可以背向震中,甚至任何方向。取决于震源的机制,以及地震台站的位置。

[1]中给出的一个例子
所以,如果我的理解以及看到的资料准确的话,张衡的地动仪并不能测定地震发生的方向。它只能测定有地震发生,铜珠掉落的时刻,在古代的精确性下,就是地震发生的时间了。
希望有地震方面的专业人士帮我解惑。
但是,即使候风地动仪确实不能测定方向,只能测定地震的发生,考虑到它发明的年代,依旧不可否认它是中国古代一重要发明。也不可否认它是一台地震仪,虽然比较初级。:)
关于它的历史,以及后世复制它的努力特别有意思。《后汉书·张衡传》的记载:
地震发生后,震中是如何测出来的?其实基本原理挺简单的。
地震波有面波与体波之分,体波又分为纵波(P 波)与横波(S 波)。纵波的振动方向平行于传播方向;横波的振动方向垂直于传播方向。前者的传播速度比后者快,而且比值恒定(?)。因此,通过测量纵波与横波到达地震台的时间差,就可以了解地震离地震台的距离。

这样子,我们就知道震中在以地震台为圆心,测得距离为半径的园上某处。如果有来自两个地震台的数据,震中就可被锁定于两个园的两个交点。如果有三个地震台的数据,原则上就可以完全锁定震中位置了:三个园的共同交点。

当然,实际操作起来没有那么简单明了,需要很多地震台的数据来减小误差,这是需要那么密集的地震台网的原因。
关于地震的纵波横波先后到达的现象,常举打雷闪电的例子。雷和闪电同时发生,但因为光速远大于声速,所以总是先看到闪电,然后才听到雷声。小时候,父亲告诉我,看到闪电后,数一、二、三,如果这时还没有雷声,那就不用害怕了,雷声不会太响,因为它离得很远。
链接:
1、USGS: The Science of Earthquakes
2、Wikipedia: Seismic Wave

