攤煎餅怎么跟航空航天扯上關(guān)系呢?這得從一個故事說起。
攤餅其實并不簡單
新西蘭坎特伯雷大學的馬修·塞利爾和法國巴黎綜合理工學院的愛德華·布喬都是物理學教授,也是經(jīng)常相互聯(lián)系的同行,而且他們都非常喜歡印度的煎餅果子,一種較大且薄的雞蛋攤餅。雖然這兩位物理學家極其喜愛煎餅果子,可以說到了無“果”不歡的地步,但是他們一點也不會攤煎餅果子。
有一天,塞利爾的妻子嘲諷了他,說盡管他是物理學家,結(jié)果卻沒辦法用物理學來攤煎餅果子。或許因為在自己的專業(yè)領(lǐng)域受到了挑戰(zhàn),塞利爾于是就找到布喬,合計用物理學的實驗方法,來找出能攤出好煎餅果子的物理規(guī)律。
但首先,他們需要給完美的煎餅果子下一個可以觀察得到的定義:分布均勻、薄厚適合、形狀可觀和沒有破漏。接下來,他們就使用計算機來模擬兩種方案。第一種叫做蒙特卡洛方法。簡單些講,這是一種盡可能地把所有因素考慮及其組合在內(nèi),然后利用計算機模擬出最佳組合(也就是問題答案)的方法。
兩位物理學家把面糊黏度、面糊密度、鍋傾斜時的角度和鍋的半徑等10個參數(shù)代入了蒙特卡洛方法當中??上攵?,這個方法的計算量是巨大的。最后計算機還是模擬出了一個在蒙特卡洛方法的條件下,最佳的攤餅公式:往鍋中心倒足量的面糊,然后盡快、依次地往右上、左上、右下、左下攤開,緊接著再重新進行這一順序一次。跟面糊倒在鍋的中心,然后自然地向周圍流動的攤餅相比,用蒙特卡洛方法攤的煎餅果子的均勻度提高了40%。
不過這還不夠好,于是他們就轉(zhuǎn)向另一個叫做最優(yōu)控制理論的方案。
在利用最優(yōu)控制理論的方案里,塞利爾和布喬只需要考慮少數(shù)幾個關(guān)鍵參數(shù)就可以了,例如傾斜鍋的角度和傾斜速度,等等。同樣的,計算機也模擬出了利用最優(yōu)控制理論得出的最佳攤餅公式:往鍋中心倒足量的面糊,然后很快、依次地往右邊、正下方、左上方(此時面糊會來到鍋的正左邊)、右上方(此時面糊會來到鍋的正上方)、右下方、正左偏下、正上偏左攤開。結(jié)果顯示,用這個攤餅公式攤出的煎餅果子的均勻度比自然流動的要高83%!
塞利爾和布喬將利用最優(yōu)控制理論得出的最佳攤餅公式及其背后的原理稱為:重力驅(qū)動液膜的最佳控制。下面我們就來看看如何用重力驅(qū)動液膜的最佳控制來攤煎餅,以及重力驅(qū)動液膜的最佳控制還有哪些應用吧。
煎餅、手機和火箭皆可“攤”
首先,我們要準備一個品質(zhì)不錯的平底鍋。然后,開火加熱,待鍋變得溫熱時,在平底鍋的中心位置倒上適量的面糊。接下來就是按照重力驅(qū)動液膜的最佳控制公式來攤煎餅了。
煎餅果子里有物理學
如果在攤餅的過程中發(fā)現(xiàn)面糊不太夠的話,那么可以馬上在平底鍋中間補充面糊,然后繼續(xù)未完成的步驟。隨著面糊逐漸被加熱凝固,平底鍋傾斜的幅度要逐漸減小,同時也要放慢傾斜的速度。最后平底鍋放平,此時面糊也已攤好。接下來就是等勻好的面糊繼續(xù)加熱凝固,待面糊的邊緣開始變色,稍稍與鍋分離時,就可以翻邊了。
盡管在剛開始時,我們攤不出大師級的煎餅,依舊有些瑕疵。但是只要按照重力驅(qū)動液膜的最佳控制公式來攤煎餅,在經(jīng)過一些訓練之后,我們就可以攤出一套好看的煎餅了。
除了用來攤煎餅,重力驅(qū)動液膜的最佳控制還可以用在高科技領(lǐng)域,例如給手機顯示器或半導體涂膜。手機顯示器或半導體等材料總是需要涂一層具有保護作用(例如耐高溫、耐磨)的膜。以往,科學家主要用刮片涂層、旋轉(zhuǎn)涂覆或化學氣相沉積3種方式來給這些材料涂膜。然而這3種方法都有各自的局限性,例如刮片涂層需要額外的刮片,而且有可能損害材料表面,而旋轉(zhuǎn)涂覆也需要額外的旋轉(zhuǎn)部件,且也有可能損害到材料。
由于重力驅(qū)動液膜的最佳控制是利用重力來涂膜,因此它不需要額外的零部件,且不會損害到材料??茖W家只需要像攤煎餅那樣,在手機顯示器或半導體上利用重力把涂液攤開即可。如今科學家還在實驗室里研究怎樣利用重力驅(qū)動液膜的最佳控制來給火箭或航天飛機涂耐高溫的膜,畢竟它們外殼是彎曲的,并非平坦的。
誰又能想到,從攤餅背后總結(jié)出來的物理秘籍,竟然能跟手機顯示器、半導體和航空航天等高科技產(chǎn)品聯(lián)系上了。
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