Er is een interessant fenomeen van de vloeistofdynamica dat elke ochtend plaatsvindt in miljoenen kommen met granen. Als er nog maar een paar stukjes ontbijtgranen op de melk drijven, ze hebben de neiging om samen te clusteren in het midden of rond de randen van de kom, in plaats van zich over het oppervlak te verspreiden.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Brown University een manier ontwikkeld om de krachten te meten die bij dit soort clustering betrokken zijn. Het is de eerste keer, zeggen de onderzoekers, dat deze krachten experimenteel zijn gemeten in objecten op millimeter/centimeterschaal. En de implicaties van het werk gaan veel verder dan graanschalen - de resultaten kunnen nuttig zijn bij het begeleiden van de zelfassemblage van micromachines of bij het ontwerpen van microschaalrobots die in en rond water werken.

"Er zijn veel modellen geweest die dit Cheerios-effect beschrijven, maar het is allemaal theoretisch geweest, " zei Ian Ho, een niet-gegradueerde student aan Brown en hoofdauteur van een paper waarin het werk wordt beschreven. "Ondanks het feit dat dit iets is dat we elke dag zien en belangrijk is voor zaken als zelfmontage, niemand had experimentele metingen op deze schaal gedaan om deze modellen te valideren. Dat is wat we hier konden doen."

Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven. Ho's co-auteurs waren Giuseppe Pucci, een gastonderzoeker bij Brown, en Daniël Harris, een assistent-professor in Brown's School of Engineering.

Het Cheerios-effect komt voort uit de interactie van zwaartekracht en oppervlaktespanning - de neiging van moleculen op het oppervlak van een vloeistof om aan elkaar te kleven, vormt een dunne film over het oppervlak. Kleine voorwerpen zoals Cheerios zijn niet zwaar genoeg om de oppervlaktespanning van melk te breken, zodat ze drijven. hun gewicht, echter, creëert wel een klein deukje in de oppervlaktefilm. Als de ene Cheerio-deuk dicht genoeg bij de andere komt, ze vallen in elkaar, hun deuken samenvoegen en uiteindelijk clusters vormen op het melkoppervlak.

Om te testen hoe sterk Cheerios - en andere objecten in het grootte- en gewichtsbereik van Cheerio - elkaar aantrekken, de onderzoekers gebruikten een op maat gemaakt apparaat dat magnetisme gebruikt om krachten te meten. Het experiment omvat twee plastic schijven ter grootte van Cheerio, waarvan er een een kleine magneet bevat, drijvend in een klein bakje water. Elektrische spoelen die de kuip omringen, produceren magnetische velden, die de gemagnetiseerde schijf kan wegtrekken terwijl de andere op zijn plaats wordt gehouden. Door de intensiteit van het magnetische veld te meten op het moment dat de schijven van elkaar af beginnen te bewegen, de onderzoekers konden de hoeveelheid aantrekkingskracht bepalen.

"Het magnetische veld gaf ons een niet-mechanische manier om krachten op deze lichamen uit te oefenen, Harris zei. "Dat was belangrijk omdat de krachten die we meten vergelijkbaar zijn met het gewicht van een mug, dus als we deze lichamen fysiek aanraken, gaan we interfereren met de manier waarop ze bewegen."

Uit de experimenten bleek dat een traditioneel wiskundig model van de interactie de kracht van de aantrekkingskracht in feite te laag voorspelt wanneer de schijven heel dicht bij elkaar worden geplaatst. Eerst wisten de onderzoekers niet wat er aan de hand was, totdat ze merkten dat als twee schijven dichterbij komen, ze beginnen naar elkaar toe te kantelen. De kanteling zorgt ervoor dat de schijf harder tegen het oppervlak van de vloeistof duwt, wat op zijn beurt de kracht vergroot waarmee de vloeistof terugduwt. Dat extra duwtje zorgt voor een iets grotere aantrekkingskracht tussen de schijven.

"We realiseerden ons dat er één extra voorwaarde was waaraan ons model niet voldeed, wat was deze kanteling, Harris zei. "Toen we dat ene ingrediënt aan het model toevoegden, we hebben een veel betere overeenkomst. Dat is de waarde van heen en weer gaan tussen theorie en experiment."

De bevindingen kunnen nuttig zijn bij het ontwerpen van microschaalmachines en robots, zeggen de onderzoekers. Er is interesse, bijvoorbeeld, in het gebruik van kleine spinachtige robots die over het wateroppervlak kunnen scheren om omgevingsmonitoring te doen. Dit werk werpt licht op de soorten krachten die deze robots zouden tegenkomen.

"Als je meerdere kleine machines hebt die ronddraaien of twee of meer poten van een robot, je moet weten welke krachten ze op elkaar uitoefenen, Harris zei. "Het is een interessant onderzoeksgebied, en het feit dat we er iets nieuws aan kunnen bijdragen, is opwindend."