course:interesting_problems:2017:topic10:start

课题10 “Pulling glasses apart 分开玻璃板”

此课题是基础物理建模课程的一部分。

实验设备常驻于物理楼305室。

Put a thin layer of water between two sheets of glass and try to separate them. Investigate the parameters affecting the required force.

在两片玻璃间加一薄层水,然后试着分开玻璃。试分析影响所需施力的各种因素。

学生(一轮):

俸昊嵘 谢思思 丁森

学生(二轮):

钱栋珩 焦嘉琛 詹智超

指导老师:

陈元杰

午餐遇陈浩然、杨宸二大佬,之后互相参观了彼此的课题,并在两位的帮助下换用新的吸盘与测力计得到了几组数据: 初始干燥时滴入0.1mL水(用注射器),然后盖上玻璃,用力压至水膜扩散至各处。用测力计拉至拉脱: 三次数据为52.5N玻璃拉脱;85N(旧)吸盘拉脱;其间玻璃在平移过程中有水移至外部。重新加水(仍为0.1mL),至103N玻璃拉脱。 我们置于上面的玻璃是10*10cm;按照秦允豪热血课本给出的附加压强公式计算,力值为140N。 数据重复性不好,但与理论公式的量级已经吻合了。在上周日发现玻璃本身厚度不均匀线度达到膜厚所带来的绝望后,今天的结果还是令人欣慰的。 再次感谢两位大佬。 — 俸昊嵘 2017/04/14 13:56

午间与陈老师简短地讨论,对于玻璃凹凸不平(量度为10μm级)的问题,老师表示很难解决,只能看成平均厚度。

建议我们回到理论计算来检验所测结果。

明确了膜厚肯定要用光干涉法。

承诺了可提供测液体表面张力系数的装置。

丁森新买了拉力计。 — 俸昊嵘 2017/04/11 12:48

讨论后发现光学法测膜厚度测得到的是改变值,后陈浩然同学提出用水的体积除以玻璃表面积即可,实验后发现确实可行。 决定在控制表面张力后测量其它力的影响。 — 谢思思 2017/04/09 18:27

直接将注射器针头对准玻璃缝隙并不能使水完全渗入板间。

用螺旋测微器测量了我们玻璃的各处厚度,测得玻璃最厚处与最薄处差值达到0.01mm量级,与之前粗测的水膜厚度量级相当。这对我们对膜厚的测量与控制来说是一个相当坏的消息。 — 俸昊嵘 2017/04/09 20:38

俸昊嵘周六新买吸盘,尚未投入使用。

在老师的建议下这次实验开始时在玻璃上用了三个吸盘,但是因为玻璃的中心难以与三挂钩中心重合,最终仍然决定只用一个吸盘(另一个原因玻璃面积不是很大)至今我们一共做了两次实验,但是效率不高,首先实验器材的寻找以及装置的组合都比较费时间,的确考验了我们运用已有器材设计装置的能力。还有要反思的地方是我们在做实验之前没有很认真的思考实验内容以及预期结果还有可能遇到的问题,导致根本不能按预期完成实验(这一次本来想通过改变液膜成分来改变液体表面张力系数而得到表面张力的影响,最终也没有做到)感谢乐老师的提醒,我们会改进。

收获是:

1、水的多少(液膜厚度)对拉力影响可以说完全占主导地位的,在10cm乘10cm的玻璃上,产生的力随水膜厚度的变化我们已测到小的有比本身重力大点(70g-),大的可达到2Kg+(由于天平好像有点问题所以数据并不保证精确性)所以首先要测量液膜厚度影响,由于螺旋测微计容易挤压玻璃导致厚度偏小,讨论后决定下一次用光学法(迈克尔逊干涉仪)测厚度。

2、液膜厚度是直接因素,我们需要找到根本因素。直接拉贴在水面上的玻璃虽有阻力(分子间作用力)但远没有两块薄水膜产生的力大,因此可以确定这个“大的力”绝不是仅靠分子间的吸引力。

3、虽然我们不能保证已测到最大值,但从已知测量情况来看,20N与全由大气压产生的力计算值1000N的相差较远,可以合理假设玻璃内部不是全部真空。之后会设置实验验证。

两位组员胃疼仍然坚持上岗,说实话还是有点感动的,一起进步吧。 — 谢思思 2017/03/26 17:02

午间的交流中陈老师对我们提出了一些建议。

1、由于滑轮组产生的摩擦“不好处理”,建议我们直接将玻璃反过来悬在上方,施加向下的拉力。同时注意玻璃掉落时的保护(如在下方垫海绵)。

2、一个吸盘易导致板上受力不均,建议用四个吸盘附在玻璃板的四角。

3、玻璃板的实验用接触面还要进一步保证其清洁。应洗涤至化学课本中描述的“不聚成水滴也不成股留下”。

4、放置玻璃板,最好先用一边接触,然后以这边为轴旋转着慢慢地放下玻璃板,同时注意是否入气泡,若入,稍回抬玻璃板使气泡排出,再继续放下。

5、初步的实验中,水预先加多点。 — 俸昊嵘 2017/03/22 12:16补充

陈老师还提供了一个电子天平。 — 俸昊嵘 2017/03/21 17:14

前一天晚上讨论说明天开始做实验,两个男生信誓旦旦的说,要8:00就去,然后一合计还是9:00吧,思思姐说让他多睡一会,把实验时间推迟到9:30,结果第一个到实验室的是思思姐:-|两个男生在9:30之后姗姗来迟,但是经过一番挫折,第一次三人都在的实验开始了。

刚开始在讨论怎么测力的问题8-O实验室难道穷的连测力计都没有了吗?后来一合计可能需要的测力计量程可能很大,一般的测力计就很难符合要求,然后又想到用砝码代替测力计,直接测量砝码的质量,然后得到力的大小,但是又因为砝码的质量变化是间隔的,而不是连续的,所以这个计划也宣告破产,最后,在陈老师的启发下,我们决定用两只滑轮的将瓶装液体悬挂,然后不断向瓶中加水的方式来连续的改变玻璃两端的力。

想法是很好的,但现实是骨感的,我们又开始为了试验设备犯愁了,怎么才能使得挂玻璃的线和挂水瓶的线都保持垂直呢?我们又陷入了苦苦的思索当中。

预知后事如何。。。等我回来(虽然物理不咋的,但是感觉自己颇有文字工作者的气息啊8-)哈哈哈)

呃..然后我们就用两个滑轮做了一个简单的测力计,使得测力的范围连续可变。装置如下图所示。

通过这个简易的装置,经过几次简单的测量,发现每一次的力都大相径庭,而且与理论值100N也是相差很远的,为此我们需要展开下一步的讨论 — 丁森 2017/03/20 08:52

补充一下,最后一句话的表述不太准确,我们只是有且只有地考虑了作用在玻璃上的大气压;而且这个值似乎是1kN…… — 俸昊嵘 2017/03/20 13:00

3月15日午间,实验需用的吸盘式挂钩与厨用湿巾进驻305实验室,我顺便在实验室简单地进行了首次试验:将两块玻璃贴紧(不加水),提起上面的玻璃,似乎提起之前亦有玻璃重力之外的附加力,但很弱;玻璃之间用水浸润后,这一附加的力变得很强,可使下面的玻璃一起被提起;这是符合我们之前的生活经验与推断的。 — 俸昊嵘 2017/03/15 13:39

对于未加水时玻璃间产生的“附加力”,大家有什么看法吗? — 俸昊嵘 2017/03/15 13:57
两块玻璃之前的气压多大?如此你能想到一种可能的原因了吧?那怎么去检验你的猜测呢? — 乐永康 2017/03/15 23:17
看了参考文献1,说是挤压空气形成真空导致。但我想不到有什么简易的方法能检验。 — 刘晋榕 2017/03/17 21:57
和组内同伴讨论一下是否会有想法呢? — 乐永康 2017/03/17 22:23

共同讨论了各自对于课题的看法,并且恰巧由于和俸昊嵘同学在同一实验室进行实验,向他问取了许多有关信息,与他共同讨论了一番。后进了与第一组相似的实验方法,在相同的实验设备下,所得的结果并不理想。最终一致决定,从改良实验设备开始进行准备。

在订购的实验器材送到后,进行了初步搭建,其中,搭接电线的过程较为危险,在此过程中,陈元杰老师和陈浩然同学都给予了许多帮助,在此十分感谢他们的帮助。经过一下午的组装和初步调试后,经确认实验器材能够进行正确有效地运转后,基本达成了初步计划。但限于测力计所需的转接头未到,无法连至电脑。因此,暂时未进行初步测量。下一步决定,将无绝缘包装的直流电源安装在绝缘木板上,避免直接接触到其金属外壳;将测力计竖直固定到铁架台上,并保证玻璃拉离过程中所受力始终沿竖直方向;还要将实验器材原有部分扩展成为一个平稳水平的载物平台。

在顺利的完成实验平台搭建后,接下来的工作则充满曲折。在固定测力计的过程中,发现其尾部并没有固定装置,因而只能将测力计绑在了铁架台杆上,其竖直性无法充分保证。后发现在用挂钩吊起玻璃时,受力方向会明显改变。这是想尝试使用磁铁,但后续实验发现扩展的载物平台是铁磁性物质,会与磁铁产生相互作用。后直接将玻璃固定在了平整的测力计挂钩配件上。此时,最大的缺陷出现了,上下两玻璃并没有很好地处于同一水平位置,这不仅与测力计的是否水平有关,还和玻璃与挂钩之间的链接有关。但在最后勉强做到两者相互平行,进行实验时,仅仅做了三组数据,测力计示数就为零了,猜想这可能与载物平台单次移动距离0.03mm相比于水膜较大导致,但已基本完成了实验设计。后续实验会更为细致,耐心的进行设计和操作。

实验器材

利用偶然得到的手机钩环,改进了实验设备,使得上方的玻璃板能够良好固定,且钩环与测力计挂钩之间接触良好,一定程度上保证了玻璃板在拉动过程中能够保持水平。在固定水的体积为40,60,80微升后,测得了一系列数据。由于测力计自带程序所能够制得的图像为力随时间变化的曲线,而两板间距是通过控制器进行调节的,两者之间并不能直接制成图像。我们采取的解决方案是,利用相机同时拍摄电脑上显示屏和控制器,再通过慢放所拍摄的视频,手动录入数据制成力随位移的图像。同时在实验过程中,发现当两板间距达到一定距离后,力会迅速减少到零。

经过对上一次实验数据的分析,发现力随位移基本成线性变化。而且到达一定位移后,力会出现一个比上一位移所示力的读数小的值,不符合线性规律,该变小的力出现后,下一次改变位移,力就迅速变为零了。在这次的实验中,该问题同样出现了,并且经过对两玻璃分离过程的观察,发现在力迅速变为零的时刻,两玻璃板之间会发生剧烈抖动,水膜不再覆盖满整个玻璃板,而是迅速向玻璃板的一侧收拢,猜想由于水膜面积的变化,使得力随位移变化的规律也发生了改变。因此,接下来我们更换了相同材质,但面积更大的玻璃板(直径5cm变为7cm)进行实验,再控制水的体积与上一组实验变化情况相同,记录了五组视频,待分析。

在逐步加深对实验原理的公式的推测和理解后,得出了初步公式,并在实验中进行微小的改动,希望能够增加实验的准确性。其一是将加水量提高基本一个量级,在实验过程中,在更换不同玻璃时,发现有的玻璃能够承载十倍于之前的水,但有些仍然不可以,这点有待讨论。其二,我们在加水之前,先将两玻璃板接触,并记录此位置为零点,再重复以前的实验。但是,实验过程中发现,加水后两板之间的间距十分大,排除了水的体积也不可能。后发现实验设备存在系统误差,调整平台高度电机有两种模式:点动操作和手动高速。每次调零后,为了加水都是用高速模式,但是,这种情况下会因电机螺纹之间的机械结构产生误差,可是点动模式一次仅有0.03毫米,不利于实验操作,只能放弃调零的想法。

进行了大量实验,将拖欠下来的进度弥补了回来,读取了许多有效的数据,等待系统综合的分析。

将剩余实验和数据全部完成了,实验正式结束。接下来会进行数据分析和讨论。

位移传感器移液枪实验平台1实验平台2

整体

共同讨论并完成了结题报告的ppt制作。

欢迎每一位对我们的课题提出建议或感兴趣的同学或老师畅所欲言:

目前如何测量与控制液膜厚度成为了我们必须克服的难题,因为不同的液膜厚对可承受力的影响实在太大。18日与25日,我试过用螺旋测微器测量液膜差,但这样做在测量时会将水挤出。我们讨论改用光学仪器测量。实验室里有注射器(我们会小心使用!)可以向板间注射液体。大家有什么更好的建议么?俸昊嵘 2017/03/31 22:58
感谢刘同学让我们写出一些可能机理的建议。本课题的第一篇参考资料是国外一个有关科学知识的讨论空间,简单来说在其中网友们讨论了除玻璃自身重力之外,分开玻璃板时“附加力”的几种假设:分子间产生的范德华力、水膜的表面张力、以及因空气被挤出缝隙而产生的大气压强差。 — 俸昊嵘 2017/03/19 11:18
如何检验这几种假设中,什么情况下哪种更合理?或者说:什么情况下,哪一种作用起主导作用? — 乐永康 2017/03/19 16:35
你们有没有感觉说:玻璃之间的水与大气是连通的,或者说是部分连通的(后来想想应有界面的)?:-x 另外,如果玻璃之间是真空、吸盘与玻璃之间是近真空,那岂不是吸盘先脱落呀?!LOL朱冰冰 2017/03/30 12:31
我们已考虑到了后一个问题。初期研究时出于最简单的估计考虑,我只粗略计算了只有且全部作用于板的大气压力,对我们的玻璃大小10*10cm,这个力是1000N。但很显然,如果玻璃之间可以承受的力能达到这个值,那么在施力到达此值前吸盘早已掉落了。我们的实验过程中尚未发生吸盘先脱落的情况(除非确实没贴好吸盘),故可以推断出压强差实际上远小于想象中真空对大气压的情况。我们准备更换不同表面张力系数的液体替换水作为液膜,比较这时的可承受力,以探究表面张力对可承受力的影响(不过前提是能控好液膜厚度这个对结果有很大影响的量。) — 俸昊嵘 2017/03/31 18:26
本课题的页面做得很好,点赞! — 乐永康 2017/03/15 23:19
能否写上一些可能机理,让不看参考文献的同学也有初步印象。 — 刘晋榕 2017/03/17 22:01
对页面进行了简单重整。 — 俸昊嵘 2017/03/26 21:38
但感觉有些列表改成数字列表,而非空行更好看 — 刘晋榕 2017/04/04 17:37
我提的两个标了“New”的问题你们看到了吗? — 乐永康 2017/03/28 08:40
看到了,多谢老师指导与提醒。 — 俸昊嵘 2017/03/31 18:26
这个Reference一点也不友好。。还要自己去查么?感觉描述性的话太多,难找到重点。 — 杨宸 2017/04/04 18:22
感谢建议。此页面的ref是直接将原版题目pdf给出的ref搬运而来,我个人认为呈现在课题页面上的ref不宜轻易删减,所以悉数呈现。但我们内部对于阅读文献的任务是有所侧重的,优先阅读直接有网络上链接的文献。描述性的话太多是指我们的实验日志么? — 俸昊嵘 2017/04/04 18:29
我的看法是,将reference搬到另外一个页面上,课题页面上只保留链接及文献重要结论/现象/视频,像我的课题13那样课题页面重点(实验)突出。 — 刘晋榕 2017/04/06 09:59

秦允豪,热学,高等教育出版社(第二版),6.3.3弯曲液面附加压强:

俸昊嵘 2017/04/02 20:47

  1. Why do sheets of glass stick together? (reddit.com, thebladex666, Jun 2015), https://www.reddit.com/r/askscience/comments/3a0lsa/why_do_sheets_of_glass_stick_together /
  2. If I put oil between two flat plates, why is it harder to pull them apart? What is this pressure called? (reddit.com, kerrybauman, Aug 2014), https://www.reddit.com/r/askscience/comments/2exgov/if_i_put_oil_between_two_flat_plates_why_is_it/
  3. Wikipedia: Elasto-capillarity, https://en.wikipedia.org/wiki/Elasto-capillarity
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