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水面上舞动的精灵(1)Comments>>  

2010-05-30 19:42:44|  分类: 幻※科学控 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1. 水面上舞动的精灵

柔和的光线里,她从空中落下,玲珑的身体落在平平的水面上,水面轻轻下陷,伴随着一圈圈向外而去轻微的波纹,她被弹回空中,如是者三;突然她融入水中,水面上出现了几圈大些的波纹,一个小一些但玲珑依旧的她又弹回空中,开始了另一个轮回……

这不是某篇小说的内容,也不是某个游戏的场景,这是在实验室里真实发生的一幕,或者说,这是日常生活中每天每时每刻都会发生很多次的一幕。这里的“她”,是一滴晶莹剔透的水滴,这里描述的是一滴水滴如何融入到水中的过程。麻省理工学院数学系的John Bush教授利用高速摄像机记录下来了这整个的过程,大家可以通过下面的视频欣赏水滴在水面上呈现的美妙舞姿,也可以从视频截屏中略微领略这位舞者的风采。

水滴落在水面上跳动,融入水面并产生小水滴的过程视频
水滴落在水面上跳动,融入水面并产生小水滴的过程
水滴落在水面上跳动,融入水面并产生小水滴的过程(从左到右,从上到下)。

正如我在Dr.You第37期的答案(漂浮在水面上的水滴)里提到的那样,水滴可以在水面上跳动而不会立刻融入进去,是因为在水滴和水面之间有着薄薄的一层空气膜分隔着它们[1,2]。John Bush教授发现,当水滴落入水面时,这个过程并不像大家经常认为的,是水滴直接融入到水里那么简单,而是更加复杂的过程。高速摄像机的镜头下我们可以看到,在有空气膜存在的情况下,水滴在水面上就像小朋友在蹦蹦床上一样,弹上弹下;当能量消耗完之后,水滴就会静止在水面上,空气层的厚度慢慢变薄,直到水滴和水面直接接触,这时水滴会突然融入水面并产生新的一个小水滴,小水滴会向上弹起,然后再重复之前的过程。

那么,为什么会这样呢?

John Bush教授通过实验和理论模拟揭示了在液滴融入到水平液面的过程中,“表面张力”起到的重要作用[3]。水分子和水分子之间总是存在着相互作用,在水的内部,这种相互作用平均起来是零,但是在水和空气的表面上,水分子的密度相对较小,分子和分子之间的距离较大,分子所受的作用力主要为吸引力,其合力垂直于表面指向水的内部。因此水的表面就像橡皮膜一样有着弹性,总是想达到表面积最小的状态,这就叫做水的表面张力。正是由于水的表面张力,无风时的水面会保持平静,小虫子能够在水面上爬来爬去,落下的水滴会保持着接近球形的样子。

在实验里,他们通过控制水和酒精的混合比例来分别控制液滴和水平液面的表面张力,从而观察在不同的液滴和液面表面张力情况下的各种情况。我们前边说的漂浮水滴的问题属于液滴和液面的表面张力一样的情况。如下图所示,水滴融入水面的时候,水滴的下端先和水面接触并且接触面逐渐变大;随着这个过程的继续,水滴里面大部分的水会被挤到下面的水里,水滴也慢慢变“瘦”,而水滴和液面相连的地方会逐渐变小直到成为一个点,从而把一部分原来水滴的水分割出来;当这个点断开之后,这部分水形成的小水滴就会在表面张力的作用下向上弹起来。下图给出的是电脑模拟的结果,和实验上观测到的(我们前面提到的录像)相一致。

计算机模拟的液滴和水面表面张力相等情况下小液滴的产生过程。红色表示的是原来水滴内的水。
计算机模拟的液滴和水面表面张力相等情况下小液滴的产生过程。红色表示的是原来水滴内的水。

就这样,一个水滴融入水面之后,它的一部分会形成一个新的小水滴,而这个新的小水滴在融入水面的时候会再形成一个更小的水滴。这样的过程会连续发生几次次,直到水滴小到可以直接融入水面,正如我们在约翰.布什教授的录像里看到那样。

不知道大家注意到没有?John Bush教授所做的实验里,水滴落下的位置离水面很近,只有几个毫米的样子,这相当于把水滴轻轻地放在水面上一样。如果水滴从更高一些的地方落下来,那它会以比较大的速度和水面相撞,大家看到的现象会略有不同,即如下图显示的结果。

水滴从高处落入水中形成小水滴过程的照片
UltraSlo.com网站上显示水滴从高处落入水中形成小水滴过程的照片。

就像流星撞到地球上形成的环形山一样,水滴和水面相撞时首先会激起一圈环形的结构,把水向周围排开。环形结构里的水流回中间的时候,又会把一些水激起,形成一个类似于前面水滴实验里看到的水柱。然后,类似地,水柱里的水向下回流,同时水柱迅速变瘦,在水柱的顶端偏下的位置形成一个断点,就这样,一个小水滴形成了。在这整个过程中飞溅的浪花和断开的水柱会形成很多小水滴,其中有一部分竖直方向运动速度较小,就会形成前面提到的漂浮在水面上的小水滴。

在每天的刮风下雨、飞瀑流水、海浪波涛里,数不清的漂浮在水面上的小水滴会默默地形成,默默地在水面上跳着美丽的舞蹈。

参考资料:
[1]. Pasquale Dell’Aversana, “Noncoalescence of droplets”, http://www.accessscience.com .
[2]. Y. Couder et. al., Phys. Rev. Lett. 94, 177801 (2005).
[3]. F. Blanchette, L. Messio and J. W. M. Bush, Physics of Fluids 21, 072107 (2009).
[4]. D. Richard and D. Quéré, Europhys. Lett. 50, 769 (2000).
[5]. David Quéré,Nature Materials 1, 14 (2002).
[6]. L. Xu, W. Zhang and S. R. Nagel, Phys. Rev. Lett. 94, 184505 (2005).

科学编辑:水龙吟

感谢水龙吟、Sheldon.Li、猛犸、霍森布鲁斯等对本文的帮助。

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