使用反光顆粒標(biāo)記之后的糖球。圖片來源:作者提供
糖球的前表面所形成的完美的光滑曲面吸引了我們的注意力,我們想知道這樣的幾何形狀是否是溶解過程所帶來的普遍的結(jié)果。因此,我們選擇了其他形狀的幾何體,并將最終溶解后的形狀與糖球溶解后的形狀相比較。下圖中,不同顏色的曲線代表了糖在不同時(shí)刻的截面形狀。我們可以看到,雖然起始形狀不同,但是最終它們的前表面都被水流慢慢侵蝕成了相似的曲面。
無論是使用糖球還是糖圓柱(左),最終侵蝕得到的球面形狀(右,偏藍(lán)色線條)是類似的。圖片來源:作者提供
這樣的結(jié)果讓我們相信,這樣的曲面確實(shí)是由于水流侵蝕所造成的。更仔細(xì)的分析發(fā)現(xiàn),隨著時(shí)間的推移在固體表面上流體溶解的速度(表面后退的速度)在不同的區(qū)域會慢慢變成同一個(gè)常數(shù)。這似乎說明,水流侵蝕所形成曲面的幾何形狀會導(dǎo)致均勻的溶解率——而均勻的溶解率又能保持這個(gè)曲面形狀不變,只是自相似地不斷縮小。這樣的一個(gè)結(jié)論便自洽地解釋了,為什么這樣的形狀會成為固體在液體中溶解的最終形狀。
那么這樣的一個(gè)曲面對應(yīng)著什么樣的幾何形狀?應(yīng)用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的尼古拉斯·莫爾(Nicholas Moore)博士通過共形變換的方法解析的找到了這個(gè)曲面的形狀:
在這里φ代表在曲面上每點(diǎn)切線與水平線的夾角,s代表弧長(在最前端為0,分離點(diǎn)為1)。而Li2是一個(gè)二階多重對數(shù)函數(shù)。