水面上舞动的精灵(2, 3)

作者：沐右
共 8 张图片
水面上舞动的精灵 (1)
2．像弹球一样的水滴
前面我们已经领略了水滴美妙的舞姿，了解了水滴可以在水面上反弹起来。但是在某些特定的时候，小水滴可以像橡胶球那样弹性十足。
橡胶有着很好的弹性，用橡胶制成的实心...
作者：沐右 | 来自：科学松鼠会


水面上舞动的精灵 (1)
2．像弹球一样的水滴
前面我们已经领略了水滴美妙的舞姿，了解了水滴可以在水面上反弹起来。但是在某些特定的时候，小水滴可以像橡胶球那样弹性十足。
橡胶有着很好的弹性，用橡胶制成的实心弹球是颇为有趣的小玩具，相信很多朋友都玩过。把一个弹球竖直地扔到坚硬的地面上，它可以上下跳动很多次。弹球在接触地面的时候会发生形变，原来运动的动能转化为弹球的形变能，然后当弹球恢复原状的同时，它把形变能重新转化为动能，弹球会从地面上弹起来。弹球在最终静止之前，可以上下弹动很多次。
小水滴具有的弹性在有些情况下并不亚于橡胶球。法国大学的David Quéré教授利用小水滴和光滑的超疏水平面做了一个实验，以研究小水滴的弹性[4]。超疏水平面是通过在平面上形成细小的微米大小的结构[5]，这样小水滴在这个平面上会像在荷叶上一样保持水珠的形状，而不会像在一般平面上那样摊成薄薄的一层。

用高速摄像机拍摄的小水滴在超疏水平面上的碰撞过程，小水滴的直径为0.8毫米。
通过高速摄像机可以得到上面图里的景象，和弹球类似，从高处落下的小水滴和平面接触的时候，形状略微发生变化，原来小水滴的动能就转化成了小水滴的形变能，然后发生形变的小水滴要恢复原状，整个水滴也就从平面上弹开来了。小水滴的弹性相当的好，在这个实验里，落到平面上再弹起的小水滴可以保有碰撞前90%左右的运动速度。如下图所示，小水滴可以在平面上弹起落下很多次。
大家看像不像弹球在地面上弹动的样子？

直径为1mm的小水滴在超疏水平面上的弹跳轨迹。图片的竖直方向对应约一厘米的高度。
3. “浪花一朵朵”，到底为什么？
有一首广为传唱的美丽歌曲，里面这样唱着“我要你陪着我，看着那浪花一朵朵~”。在月球的引力或者风的作用下，海浪向着礁石冲来，然后在礁石上撞的粉身碎骨，变成朵朵飞花，这是大家熟知的事情。
但是浪花为什么是一朵朵的呢？什么情况下水撞击到固体的表面都会产生“浪花”么？到底是液体和固体的碰撞本应如此，还是有什么其他的因素在起作用呢？海水的速度和盐分、礁石的光滑与否、还有空气的存在，在这个过程里面，涉及了太多太多的因素，究竟什么才是问题的关键呢？
芝加哥大学的Wendy Zhang教授和Sidney Nagel教授和他们的研究生徐磊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[6] 。结果如下图所示：

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。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[6]。
水滴落到水面上并融入其中，雨点落到荷叶上弹落而下，海水在礁石上撞个粉身碎骨，这些在我们肉眼看来或许平凡无比的事情，其真实的过程往往美妙而玄奥，可以通过高速摄像机忠实的记录下来。而这一切的平凡或者玄奥，可以通过数学和物理来完美地解释，科学的美丽，或许就在于此。
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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