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​连续跳跃的水滴

发布时间: 2019-03-29 14:27:27   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:        字号:[ 常规 ]

水滴就像被看不见的“球拍”在拍打.jpg

水滴可以依靠表面张力在水面上行走而不会被融合,最近科学家在实验室里成功完成了这一奇妙的过程,从中揭开了流体力学中鲜为人知的科学真相。 

成真的假说

一切开始于一次物理实验课。原本老师安排学生设计一个简单实验来限制液体之间的融合现象,即限制一个液滴和与之成分相同液体之间相融合的现象。最初提出只是一个空头的假说,不过这一假说随着研究的深入,在实验室里具有了真正的现实意义。

液滴可以在液体表面上移动而不被融合,在所有情况下,都是因为有一层空气持续聚集在液滴的周围,阻止两者的融合。瀑布脚下,水滴在水面上可以持续漂浮数秒。对瀑布来说,是翻腾的水带动周围的空气,并且反复形成空气层。而对于一滴冷咖啡可以轻轻地漂浮在一杯热咖啡上面,是因为那一滴冷咖啡和一杯咖啡之间温差而产生的。

经验表明,把一滴水滴入盛水容器时,你会看到水面被击中后,水滴会在一刹那间持续存在。我们知道在下落的水滴和水面之间存在一个空气夹层。即便在正常情况下,水滴也不会马上与水面融合。水滴和水面之间的空气层阻止了它们的融合。在水滴持续存在的这段时间内,隔开它们百分之几毫米的薄薄空气层会逃逸。接着,水滴和水面接触并迅速融合。换句话说,只要维持空气层的存在就可以阻止它们之间的融合。那么怎样做到呢?我们可以从液体振动实验中找答案。如果我们使液体以某一频率振荡,当它下降时的加速度大于重力加速度,液滴就会离开液面,中间重新生成空气层。在液体下降的过程中,液滴的角色和飞机做抛物线飞行中进行失重训练的宇航员一样。由于支持液滴的液体跌落得比液滴本身要快,于是液滴悬浮在空中。

液面上升时,空气没有时间逸散,于是液滴乘坐在气垫上,这个气垫阻止了它被液体致命地“吻”到。这就像某种意义上的微型滑艇。但是这一液体支撑现象却不能解释为什么水滴会以连续跳跃的惊人方式前进。因为如果跳跃仅由最初的轻弹引起,力量会逐渐减弱。   

看不见的“球拍”

然而,水滴却不停地运动,而且仅朝着实验器具内壁接触的方向。这种运动的奇特动力是什么呢?似乎没有什么振动的机械原理或者水滴内部的其他什么力能解释这种跳跃现象。事实上,一切的发生就像是有着一个看不见的“球拍”,在每次回弹时拍打这些水滴,而且总是朝一个方向。

荒唐的理论?不,事实的确如此。每次水滴击打液面,引起波纹,像石头扔进水中形成的波纹一样。开始时,水波的中心是波浪下凹处,它马上会因惯性而重新上升。如果水滴恰好降落在中心旁边(一个微小的不平衡就会造成这种状况),它就会被送到偏离的方向去。总而言之,似乎在拍打水滴的神秘“球拍”不过是水滴自身引起的小波浪。当水滴落在水波中心的旁边时,它与波浪的斜面碰撞,然后重新从旁边起跳,在这个起跳点又激起新的波纹,并再生出其他的波纹,重新起跳,再接着跳下去。

水滴的行进,只是在波浪上的一系列同步弹跳吗?这个解释也不能完全令人满意,因为我们忘记了振幅减小的问题。如同石块投入水中,激起的波纹最后扩散,逐渐减弱一样,水滴激起的波纹也迅速消失。所以动力失去后,水滴照理也应该停止运动。但情况并非如此,换个说法,总是由接下来的第二个现象来接替,使这个运动持续下去。这种波叫法拉第波,是19世纪英国大物理学家法拉第发现的。只要让液体发生快速振动,波纹就在液体表面出现,假如你盛一碗水或者油放置在发动的汽车引擎盖上,我们即可观察这个现象。

这一现象的产生有双重成因:一是地心引力,二是表面张力。这些位于液体表面分子间的引力,清楚地解释了为什么在一只玻璃杯里,贴近杯壁的水面呈略向上弯曲状。法拉第波助了水滴一臂之力。根据经验,研究人员选择使液体的振荡强度略低于它产生波纹的极限。水滴的搅扰足以产生强劲的波纹,而它便可以在水面上欢呼雀跃。因此,只要我们维持振动,水滴的运动就会持续下去。

那么还有一个问题,就是这个过程应该会引发混乱。因为,没有任何理由使水滴老老实实地朝同一方向,以同一速度跳跃。逻辑上讲,它们应该朝任意方向前进,就像醉汉一样。事实上,完全不是这样。当法拉第波出现时,水滴的跳动为保持一致而和它们同步。也就是说水滴总是在它们造成的波纹处起跳。从那时起,看不见的“球拍”有条不紊地朝一个方向,每次都以相同的力拍打起跳的水滴。结果,这些水滴以恒定不变的速度沉着前进。一个如此奇妙的机械过程,但要从理论上获得解释却显得有些棘手。事实上,这是一个很稳定的机械过程,一切都自动地同步起来。

观察单独行走的一滴液体,显然引发了研究者们极大兴趣,他们想在油浴上面放置数颗液滴,就像玩台球似的,液滴会一个接一个地弹跳还是会融合呢?事实上,如果说有一些液滴由于相互碰撞而分散得很开,那么也有其他的液滴会相融合,一起转圈!这个从未见过的现象,其解释却十分简单。一旦某颗液滴接近另一颗,它会碰撞伴随它的小波浪。如果液滴下落在波浪的外侧,它就会被这一碰撞再次推动。但是如果在内侧,它就会被波浪吸引。两颗液滴理论上会融合,然而由于它们自身的速度,他们就像想要咬自己尾巴的狗似的,被迫一个围着另一个打转,不停地互相追逐,如同我们所看到的同步轨道运动,即双星运动一样。

根据“行走”的水滴现象,科学家认为消除水滴和液体融合是可能的。他们的经验会影响到物理学的其他领域吗?行走的水滴,是否会给其他还在昏暗中摸索的学科带来光明?我们知道,在固体物理学中有一个著名现象,即激发晶体振荡的电子运动现象,其中有类似的问题需要深入研究。