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水滴飞溅寻常事
一滴水落下来,砸在光滑的玻璃板上,顷刻间化为许许多多的小水滴,飞溅开来。
这个过程若用高速摄像机拍摄下来,缓慢播放,可以看到水滴落地时,水滴铺开,由椭球形迅速变成一顶王冠,冠冕是许许多多细小水滴组成的,向上向外飞散。
这种景象,我们非常熟悉,我们每个人几乎每天都会与这个现象谋面,例如洗脸、洗东西的时候。正因为我们太习以为常,一般人可能都不会考虑,水滴落下飞溅的现象何时不再出现?
然而这个问题,科学家需要考虑,因为很多水滴飞溅的过程需要想办法制止,例如喷墨打印过程,如果打印机喷出的液滴是以更小液滴四射的形式落到纸上,那么打印出的文档或图片就可能不够清晰,也就是我们通常所说的分辨率不高。
为了解决喷墨打印不够清晰的问题,目前喷墨打印机不得不采用在墨水中加入助剂的方法来实现防墨滴飞溅的效果。但在许多情况下,我们无法做到让水滴不飞溅,为此,科学家不断努力去研究水滴为什么会飞溅,从而创造条件,让水滴飞溅的现象不再出现。
气压影响出人意料
科学家经过研究,真解决了水滴飞溅的现象!用慢镜头播放,那水滴落地时,迅速变扁,平铺开来,就像一层中间鼓凸的透明玻璃迅速被压平了一样,向四周无声息地铺开,没有一点上翘和飞溅,每一个水分子都很安稳地沿着二维的平面运动。
科学家是如何做到这一步的?在细说答案之前,我们先来回答这样一个问题:一个是正常大气压力的环境,一个是大气压力很高的高压环境,一个是真空度很高的低压环境,水滴在这三种环境下分别落地,哪种情况水滴不会飞溅,哪种情况水滴飞溅最厉害?
一般人可能都会认为:高压环境下,水滴不会飞溅,而真空环境下,水滴飞溅最厉害。为什么?理由是:压力越小,水滴越是自由和无拘束,从而飞溅最厉害。然而真实的情况出乎一般人预料:越是高压环境,水滴飞溅越厉害!
水滴运动的奥秘
这可让人觉得太意外了,为什么会这样?原来水滴生来是不喜欢飞溅的,如果水分子在平铺的过程中没有遇到阻力,它们确实是喜欢沿着二维平面运动,也就是真空情况下,水滴落地的过程就是水分子沿着二维平面铺开的过程,平稳而安静,没有水分子会溅出来。
但是正常气压下,空气的压力同时也是水分子运动的阻力。就像我们跑动很快时会感到耳边呼呼的风声和跑动的阻力一样。水分子在四散跑开的过程中,也像受到了大风劲吹一样,很多水分子被吹得向上运动,就会形成飞溅现象。那么高压下呢?上面的分析可以顺而推之,高压环境对水滴铺开的过程阻力更大,从而,水滴飞溅也就最厉害。
也许有人认为,水滴落地而溅起,就像皮球落地被地面反弹那样,是被地面反弹起来的。其实这种想法是一种误解。
我们知道,充气饱满的篮球在落地时会弹起很高,还会蹦跳几下,但是如果是没有充气的瘪篮球落地,那么直接就会软软地扣在地下,不会反弹。还例如,石子落在硬地上时会蹦跳几下,但是粘稠的泥巴落地时就只是平铺,塌到地面上,也不会反弹。
那么它们落地时的动量消失了吗?是的,物体形状的永久改变可以消除物体的动量。就像我刊2008年01期介绍的“冻结的烟”可以用来做防弹衣,正是因为这种材料非常容易在子弹冲击下产生永久变形,从而消除了子弹的冲击动量,让子弹静止下来。这里的水滴落地正是水滴自身的形变消除了水滴向下的动量,让水滴在垂直方向上静止下来,所以水滴不会被地面弹起。
那么水滴运动的势能消失了吗?这倒没有,它们的势能受重力和张力的影响,变成了水滴水平方向向四周运动的能量。
通过这个现象和这些分析,要想让水滴喷到一个表面上时不会飞溅,很简单,那就是让那个表面所在的空间保持一定的真空度就可以了。
一滴水落下来,砸在光滑的玻璃板上,顷刻间化为许许多多的小水滴,飞溅开来。
这个过程若用高速摄像机拍摄下来,缓慢播放,可以看到水滴落地时,水滴铺开,由椭球形迅速变成一顶王冠,冠冕是许许多多细小水滴组成的,向上向外飞散。
这种景象,我们非常熟悉,我们每个人几乎每天都会与这个现象谋面,例如洗脸、洗东西的时候。正因为我们太习以为常,一般人可能都不会考虑,水滴落下飞溅的现象何时不再出现?
然而这个问题,科学家需要考虑,因为很多水滴飞溅的过程需要想办法制止,例如喷墨打印过程,如果打印机喷出的液滴是以更小液滴四射的形式落到纸上,那么打印出的文档或图片就可能不够清晰,也就是我们通常所说的分辨率不高。
为了解决喷墨打印不够清晰的问题,目前喷墨打印机不得不采用在墨水中加入助剂的方法来实现防墨滴飞溅的效果。但在许多情况下,我们无法做到让水滴不飞溅,为此,科学家不断努力去研究水滴为什么会飞溅,从而创造条件,让水滴飞溅的现象不再出现。
气压影响出人意料
科学家经过研究,真解决了水滴飞溅的现象!用慢镜头播放,那水滴落地时,迅速变扁,平铺开来,就像一层中间鼓凸的透明玻璃迅速被压平了一样,向四周无声息地铺开,没有一点上翘和飞溅,每一个水分子都很安稳地沿着二维的平面运动。
科学家是如何做到这一步的?在细说答案之前,我们先来回答这样一个问题:一个是正常大气压力的环境,一个是大气压力很高的高压环境,一个是真空度很高的低压环境,水滴在这三种环境下分别落地,哪种情况水滴不会飞溅,哪种情况水滴飞溅最厉害?
一般人可能都会认为:高压环境下,水滴不会飞溅,而真空环境下,水滴飞溅最厉害。为什么?理由是:压力越小,水滴越是自由和无拘束,从而飞溅最厉害。然而真实的情况出乎一般人预料:越是高压环境,水滴飞溅越厉害!
水滴运动的奥秘
这可让人觉得太意外了,为什么会这样?原来水滴生来是不喜欢飞溅的,如果水分子在平铺的过程中没有遇到阻力,它们确实是喜欢沿着二维平面运动,也就是真空情况下,水滴落地的过程就是水分子沿着二维平面铺开的过程,平稳而安静,没有水分子会溅出来。
但是正常气压下,空气的压力同时也是水分子运动的阻力。就像我们跑动很快时会感到耳边呼呼的风声和跑动的阻力一样。水分子在四散跑开的过程中,也像受到了大风劲吹一样,很多水分子被吹得向上运动,就会形成飞溅现象。那么高压下呢?上面的分析可以顺而推之,高压环境对水滴铺开的过程阻力更大,从而,水滴飞溅也就最厉害。
也许有人认为,水滴落地而溅起,就像皮球落地被地面反弹那样,是被地面反弹起来的。其实这种想法是一种误解。
我们知道,充气饱满的篮球在落地时会弹起很高,还会蹦跳几下,但是如果是没有充气的瘪篮球落地,那么直接就会软软地扣在地下,不会反弹。还例如,石子落在硬地上时会蹦跳几下,但是粘稠的泥巴落地时就只是平铺,塌到地面上,也不会反弹。
那么它们落地时的动量消失了吗?是的,物体形状的永久改变可以消除物体的动量。就像我刊2008年01期介绍的“冻结的烟”可以用来做防弹衣,正是因为这种材料非常容易在子弹冲击下产生永久变形,从而消除了子弹的冲击动量,让子弹静止下来。这里的水滴落地正是水滴自身的形变消除了水滴向下的动量,让水滴在垂直方向上静止下来,所以水滴不会被地面弹起。
那么水滴运动的势能消失了吗?这倒没有,它们的势能受重力和张力的影响,变成了水滴水平方向向四周运动的能量。
通过这个现象和这些分析,要想让水滴喷到一个表面上时不会飞溅,很简单,那就是让那个表面所在的空间保持一定的真空度就可以了。