财新传媒 财新传媒

阅读:0
听报道

《[流体力学趣事]拳头大的雨滴见过没有?》里面说到,由于表面张力和空气阻力的存在,雨滴有一个大小的限制,而且,由于空气阻力和速度正相关,雨滴不会在重力的作用下速度不停地增加下去。这样,雨滴打到我们身上的时候,即使是少数个头稍微大一些速度快一些的,我们也一般不会感觉到疼痛,更不会对身体造成什么直接伤害。

然而,雨滴的速度已经足够把它自己撞个粉身碎骨了。当雨滴撞到一个光滑平面的时候,就会碎裂开来,水花四溅,在撞击的地方留下几许水痕。在海边,大家也能看到大海波涛滚滚,撞到礁石上,变成“浪花一朵朵”。这是为什么呢?在这个过程中,什么才是主要的关键因素呢?

芝加哥大学的Wendy Zhang教授和Sidney Nagel教授在一个实验里揭开了这个秘密。他们研究了一个水滴是怎么样撞到一个干燥光滑的平面上的[1] 。结果如下图所示:

在Sidney Nagel教授研究组的网页上(链接),我们还可以找到他们拍摄的水滴和平面撞击的视频,


【一个大气压下水珠和平面碰撞的过程】


【0.2个大气压下水珠和平面碰撞的过程】

直径为3.4毫米的水滴以3.74米每秒的速度落在平面上(相当于从约70厘米高的地方落下),而碰撞的过程由高速摄像机忠实地记录下来。 在一个大气压下,水滴撞在平面上,发生形状的变化,而边缘则会激起一圈美丽的托盘样的浪花,碎裂成很多的小水滴。随着气体压强的降低,激起的浪花越来越小。在0.172个大气压下,水滴撞到平面上之后,就只是平滑的摊成薄薄的一层,不会激起任何的浪花。由此我们可以看出,海水、礁石都不是关键的因素,空气的存在才是形成浪花的决定条件,如果没有空气的话,我们也看不到浪花朵朵的美景了。

在这个水滴和平面碰撞的过程里,水的表面张力使得水尽量平滑地铺开,而空气对运动的阻碍和摩擦使得水散开的边缘不稳定。这两种因素的竞争就决定了是否会激起浪花。他们利用不同液体和气体重复这个过程,得到的结果是一致的[1] 。更进一步的研究表明,水滴和平面接触之后,两者正中间的地方会形成一个小气泡,水花飞溅的过程与水和平面间夹着的这层空气有很大的关系[2]

参考资料:
[1]. L. Xu, W. Zhang and S. R. Nagel, Phys. Rev. Lett. 94, 184505 (2005).
[2]. M. M. Driscoll, C. S. Stevens and S. R. Nagel, Phys. Rev. E 82, 036302 (2010); M. M. Driscoll and S. R. Nagel, arXiv:1108.1129v1 (2011).

[流体力学趣事]水面上的舞者(1)-水花水花为什么? - 科学松鼠会 - 科学松鼠会
话题:



0

推荐

科学松鼠会

科学松鼠会

4011篇文章 1次访问 4年前更新

什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。 这里是科学松鼠会的网站的一个镜像,大家的留言我们可能没办法一一回复,如果您有什么问题,欢迎到科学松鼠会的主站提问:http://songshuhui.net/

文章