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《[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).

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34 Responses to “[流体力学趣事]水面上的舞者(1)-水花水花为什么?”

  1. jk说道:

    通篇看到一个闲字

  2. 冷冻过的鱼说道:

    气体有同样现象的话表面张力应该不会是主要因素之一吧

  3. 费孛沓说道:

    很有趣,很美的实验

  4. 皮皮说道:

    把厕所气压降低80%,尿尿就不会四处飞溅了

  5. 冯春侯说道:

    如果是在太空,在一个没有空气的地方做这个实验。用水枪或者什么东西喷射水柱到一个干燥光滑平面上。水是不是就会均匀散开呢?水真是奇妙!

  6. 射手说道:

    运动的水滴和空气存在一个摩擦,我猜是剪切运动激发了不稳定性,最终使水滴解体。 从楼上往楼下倒一团水,最开始的时候还是一个大水团,下降一定高度,速度达到一定值后必然解体。 火焰喷射器也面对同样问题,希望射流能够稳定,不要发散,这样喷射距离更远。解决方案就是提高液体粘度,往燃油里面添加稠化剂来提高射流发散的极限速度。

  7. 说道:

    老公学的是这方面的,给他看,他肯定更感兴趣。收一下。

  8. bingo说道:

    好玩

  9. tiger说道:

    把厕所气压降低80%,你还尿得出来么?

  10. fffffff、说道:

    自然而然就出来了

  11. baggio说道:

    提个建议,参考文献是不是应该写的更规范点。这篇文章让我想找文献只能从教授的名字搜索。

  12. baggio说道:

    [1] Drop Splashing on a Dry Smooth Surface L. Xu, W. W. Zhang & S. R. Nagel, Phys. Rev. Lett. 94 184505 (2005).

    [2] “Thin Film Formation During Splashing of Viscous Liquids”, M.M. Driscoll, C.S. Stevens, S.R. Nagel, Phys. Rev. E 82, 036302 (2010).

    • 沐右说道:

      要找引文的话,其实知道“Phys. Rev. E 82, 036302 (2010)”就可以准确定位了。先去找Phys. Rev. E,然后按卷和编号查找就可以找到。
      不过加上题目是比较好一些,我注意下。

  13. baggio说道:

    文章中的一句话“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。”,我表示不太同意。
    松鼠会在介绍表面张力的文章——表面张力是什么?(http://songshuhui.net/archives/59644)中有一个水滴撞击荷叶的视频,那里是一个大气压,但是却没有浪花朵朵,说明被撞击的平面表面对水滴浪花现象也是有影响的。

    • 沐右说道:

      荷叶的那个例子里面,水滴运动的速度比较低。
      这篇文章里面也没有说这些方面没有影响,而是说关键的因素在于空气的存在。

    • Mark Lui说道:

      这个我觉得就类似于光学中的漫反射和镜面反射。接受面肯定影响光的传播。但是漫反射中的局部放大来看也是遵循镜面反射的。
      同理,可以先约定一个标准面(上文中实验用表面),限定粗糙度等,其他表面(例如你提到的荷叶表面)只是这个面的延伸,扩展。

  14. 星云圆壹说道:

    下次喷油漆时 找个真空的环境 喷的均匀 又不浪费 还不会有 有害气味 ^o^

    • 沐右说道:

      喷油漆就是要油漆尽量散开吧,这样子才能一喷喷一片出来。如果是一条线喷出去,那就不合适了。(物理上来说,这个喷油器跟水花的问题不是同一个问题)

  15. 星云圆壹说道:

    是不是 以后洗衣机 也会改成 低压的 ???

  16. 幽冥剑虎王说道:

    那个,楼1、楼12、14楼、15楼的,屎会不会也这样?

  17. 教学时光说道:

    哈哈,这个构想太有创意了

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