在粘性液体中，研究球体在磁力作用下向边界沉降的实验

《Journal of Fluid Mechanics》：Experiments on a sphere settling towards a boundary in a viscous liquid under the influence of a magnetic force

磁致接触在粘性流体中的机制与挑战。研究通过光滑球体与平面在静止流体中的接触过程，发现虽然磁力可显著缩短接触时间（比重力快两个数量级），但无法实现有限时间接触，因磁吸引力无法抵消润滑阻力（在间隙趋近零时阻力趋于无穷大，并转化为指数衰减特性）。理论模型验证了磁力规律的可观测性，并探讨了变力实现有限接触的条件。

　　

摘要

磁体因其能够快速产生接触（例如磁体与铁磁材料之间的碰撞）而被广泛使用。然而，当磁体浸入粘性流体中时，这种相互作用的具体机制仍不明确。在这里，我们使用一个经典的实验配置来研究这个问题：一个光滑的固体球体在静止的流体中接近一个平面。诱导的磁吸引力是一种空间变化的力，类似于短程色散力，它提供了一种可行的方法来克服流体动力阻力的影响，而流体动力阻力可以通过经典润滑理论来很好地解释。直觉上，人们可能会认为这种力能够使球体在有限时间内接触到平面。然而，我们的实验得出了一个违反直觉的结果：虽然磁力加速了球体向平面的运动，使其接近时间缩短了两个数量级，但最终却无法在有限时间内实现接触，因为诱导的磁相互作用无法减轻在微小间隙极限下变得极大的润滑阻力，这种阻力会导致球体以指数速度下降，类似于恒定外力作用下的运动。我们通过一个简单的理论模型来支持这些发现，该模型仅基于运动学观测就准确地预测了磁力的变化规律。最后，我们概述了在什么条件下空间变化的力可以实现真正的有限时间接触，并讨论了未来的实验方向。

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