学术研究报告：液体在悬浮状态下的反向浮力现象

作者及发表信息
本研究由Benjamin Apffel、Filip Novkoski（巴黎高等物理化工学院，PSL大学）、Antonin Eddi（巴黎高等物理化工学院，PSL大学，索邦大学）及Emmanuel Fort（巴黎高等物理化工学院，PSL大学）共同完成，发表于《Nature》2020年9月3日第585卷。

学术背景
研究领域为流体动力学与界面现象，重点关注重力场中液体的稳定性问题。传统认知中，当高密度液体置于低密度介质（如空气）上方时，会因重力作用引发瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability），导致液体层塌陷。此前研究通过垂直振动（vertical shaking）实现了液体层的动态稳定，但大体积液体（如0.5升）的悬浮仍具挑战。本研究旨在探索垂直振动如何通过空气层共振实现液体的大规模悬浮，并发现其下界面可产生“反向浮力”现象，即物体可稳定漂浮在液体层的下表面，仿佛重力方向被反转。

研究流程与方法
1. 实验设计与材料
- 装置：采用有机玻璃容器固定于垂直振动台，振动频率ω/(2π)与振幅a可调。
- 液体选择：高粘度硅油或甘油（0.2–1 Pa·s），以抑制法拉第不稳定性（Faraday instability）的触发。
- 空气层生成：通过注射器在容器底部注入空气，形成支撑液体层的空气腔（图1b）。

1. 空气层动力学模型

   • 空气层被建模为受迫阻尼谐振子，其运动方程为：
     [ \ddot{z} + 2\gamma\omega{\text{res}}\dot{z} + \omega{\text{res}}^2 z = a\omega^2 \cos(\omega t)
     ]
     其中ω_res为空气层共振频率，γ为阻尼系数。实验发现，共振时振动幅度可放大10倍以上（图1c-d）。
     

2. 悬浮液体层的稳定性

   • 卡皮察效应（Kapitza effect）：垂直振动通过动态平均效应稳定液体下界面，其稳定性条件为临界速度v_l^* = √(gL/π)，L为容器宽度。实验验证了宽度达20厘米的液体层可稳定悬浮（图1f）。
     

3. 反向浮力现象

   • 理论模型：物体在下界面的浮力平衡由振动诱导的动态势能修正，其稳定性条件为v_b^* = √(2g/|ω_b|)。实验显示，不同密度的球体（如塑料与金属）可同时漂浮在液体层的上下表面（图2c-e）。
     
   • 选择性坠落：质量较大的物体会在液体层塌陷前优先坠落，验证了理论预测的临界速度差异（图3）。
     

主要结果
1. 大体积液体悬浮：通过空气层共振，实现了0.5升液体在12×12 cm²容器中的稳定悬浮，突破了传统振动方法的体积限制。
2. 反向浮力机制：动态势能修正使下界面浮力平衡点从不稳定转为稳定，实验观察到物体“倒浮”现象（图2e）。
3. 临界速度分离：理论预测与实验数据一致，证明物体质量与液体层稳定性存在差异（v_b^* > v_l^*），导致重物选择性坠落（图3）。

结论与意义
本研究揭示了垂直振动通过空气层共振实现液体大规模悬浮的物理机制，并首次报道了“反向浮力”这一反直觉现象。其科学价值在于拓展了瑞利-泰勒不稳定性的控制方法，为界面现象研究提供了新范式；应用潜力包括微重力环境下的流体操控、工业反应器设计等。

研究亮点
1. 创新性发现：首次实现物体在液体下表面的稳定漂浮，挑战了传统浮力理论。
2. 方法突破：结合空气层共振与高粘度液体，将悬浮液体体积提升至半升级。
3. 理论建模：通过动态势能修正解释了反向浮力的稳定性机制，无拟合参数的理论预测与实验高度吻合。

其他价值
研究还暗示了振动环境下界面传输、分选等现象的新研究方向，为多相流动力学提供了新思路。