给孩子最好的科学教育

常识告诉我们，颜色混合后就没法分离了，对吧？

今天我们又来反常识了。

用今天的惊人实验就可以把颜色分离，让它们回到过去。

当然了，这也是彩条牙膏的颜色不会混合的原因。

关键概念

层流

材料和工具

一大一小2个透明杯子，或者也可以把塑料水瓶剪成2个水杯

透明的洗洁精，或洗手液，或透明的洗发水或沐浴露，或葡萄糖浆，或甘油

4个夹子

几种不同的食品色素，或颜料

空的眼药水瓶子，或滴管

操作步骤

1. 在大的杯子里倒入洗洁精（或上面提到的替代液体），倒入的量约为杯子的1/4。

2. 在小的杯子里倒入水。倒入水的目的是使它不会整个漂浮在大杯子液体的表面。

3. 把小杯子放到大杯子里面，调整水和洗洁精的量，使洗洁精差不多能够到大杯的杯口。

4. 在大杯的杯口上均匀地夹上4个夹子。4个夹子的功能是使小杯子的位置固定。

5. 用洗洁精和不同的色素调制几份不同颜色的染料。

6. 用眼药水瓶子分别把染料滴入大杯子里，染料之间有一定间距。

7. 现在缓慢地转动小杯子，你可以看到染料开始混合。

注意：转动时，小杯子尽量不要移动位置。

8. 现在往回转，你可以看到染料又分开了。很神奇吧！

实验原理

这个神奇的实验是一个叫做 John P Heller 的石油科学家在1960年发明的，当时他把实验发表在《美国物理学期刊》（American Journal of Physics）上。

最开始，Heller 使用的是甘油，实验仪器是一种高大上的装置，叫做库爱特粘度计（Couette viscomete）。后来数不清的老师在流体力学课上用简单的杯子为学生展示这个反常识的“魔术”。

所以到底为什么染料不会混合呢？还记得我们之前解释过彩条牙膏不会混合的原理吗？（点我回顾）。让彩条牙膏的颜色不会混合的原因是因为牙膏的粘度很大，因此牙膏流动时只能是“层流”（laminar flow），也就是说流体就像一根一根分明的绳子一样各自流动，不会搅和在一起。

层流的反面是湍流，也就是液体互相混合。粘度小的流体容易湍流，因此我们平时看到的水流基本都是湍流。

先层流再湍流

在我们的实验里，因为洗洁精粘度很大，所以在流动时也是层流。

虽然我们知道粘度是决定流体层流或湍流的一大因素，不过现在没有人能够预测湍流的具体数学形式。

有了湍流的数学模型有什么用呢？

就比如拿飞机设计来讲吧，因为没有精确的数学模型，现在在设计飞机时，工程师们必须要建造昂贵的风洞，然后才能获得宝贵的数据。显然有了数学模型以后就不需要做这些耗时耗力的装置了。

风洞

由于湍流的数学模型有很大的实用价值，因此著名的克雷数学研究所（Clay Mathematics Institute）在2000年5月为湍流的数学模型问题（纳维-斯托克斯存在性与光滑性）专门设立了一个价值1百万美金的奖——千禧年大奖，专门用来奖励第一个解决湍流数学模型问题的人。

克雷数学研究所所标

克雷数学研究所一直为那些世纪数学难题设立奖项，比如著名的庞加莱猜想。我们知道俄罗斯数学家格里戈里·佩雷尔曼在2002年解决了庞加莱猜想，克雷数学研究所为此给他颁发了千禧年大奖，但是被他壕不感动地拒绝了。接着佩雷尔曼选择去隐居，留下身后功与名。