高德注册我们可能已经解开了为什么水滴飞溅的巨大谜团

时间:2020-05-20 作者:河南《高德娱乐》 热度:
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高德娱乐-Q554258报导:  从在你上班路上浸透你的雨滴,到在你到达时不可避免地落在你白衬衫上的咖啡,你会被原谅地认为雨滴仅仅是讨厌的东西。
 
但在平凡的外表下,水滴展现出自然之美,掩盖了科学家们数十年来一直试图弄明白的复杂物理现象。最近,我对这一领域做出了贡献,研究了一种新的理论,解释了在水滴和表面之间引起飞溅的临界薄层空气发生了什么。
 
溅起水花的水滴的寿命只有千分之一秒,我们看不见它的存在。它在高速成像方面取得了开创性的进展,捕捉到了这些事件——最具标志性的是1957年埃哲顿的牛奶滴冠。这些照片同时以其美学本质抓住了公众的想象力,同时以其惊人的复杂性吸引了物理学家。最明显的问题是,为什么,以及什么时候,水滴飞溅?
 
如今,相机每秒可以拍摄超过100万帧的画面,并能解决飞溅的细节问题。然而,这些进展提出了许多问题,正如他们已经回答。最重要的是,NagelLab在2005年进行的令人瞩目的观察显示,水滴周围的空气起着关键作用。通过降低空气压力,可以防止飞溅(见第二个视频)。事实上,在珠穆朗玛峰底部飞溅的水珠可能不会在顶部飞溅,因为那里的气压较低。
 
乙醇在正常压力下溅落。
 
乙醇在低压下不会溅起水花。
 
这些发现催生了大量的实验工作,旨在揭示空气作用的奇妙细节。新的实验方法揭示了令人难以置信的动力学:毫米大小的液滴是由比它小1000倍的微型空气薄膜控制的。
 
咖啡飞溅图案在右边的戒指从马克杯。Roger Karlsson/Flickr, CC BY-SA
 
值得注意的是,当液滴接触到固体时,它可以被一层极薄的空气所阻止,而这层空气是不能被液滴推开的。所涉及的大小相当于一厘米的空气层,阻止了海啸在海滩上蔓延。当这种情况发生时,一层液体会从主液滴飞开,变成更小的液滴,这样就会产生飞溅。从咖啡污渍上我们只能看到这个事件的结果——一池液体(水滴)被一圈更小的水滴(溅起的水花)包围着。
 
重大突破
 
实验分析已经产生了令人难以置信的关于水滴飞溅的详细观察结果。但是他们没有确定为什么雨滴会飞溅,这意味着我们不了解基本的物理原理。值得注意的是,对于这样一个看似无关痛痒的问题,用于预测天气、设计船舶和预测血流的经典流体理论是不够的。这是因为空气层的高度变得与空气分子在碰撞之间的距离相当。所以对于这个特定的问题,我们需要注入微观的细节,这是经典理论无法解释的。
 
空气的微观层如何影响水滴。
 
空气的行为只能由一种最初为剧烈的空气动力学气体流动而发展起来的理论——例如进入地球大气层的航天飞机——即气体动力学理论来捕捉。我发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的这篇新文章,是第一篇利用动力学理论来理解空气膜在被液体扩散到固体上时的行为的文章。
本文建立了液体在固体上稳定扩散的最大速度的标准。人们已经知道,要产生飞溅,就必须超过这个临界速度。如果速度低于这个速度,下降就会平稳地传播。值得注意的是,新理论解释了为什么降低空气压力可以抑制飞溅:在这种情况下,空气更容易从这一层逃逸,对液滴的阻力更小。这是一块缺失的拼图,自2005年的实验发现以来,已经有许多重要的科学贡献。
 
重要的应用
 
虽然这是基本的科学兴趣,但对引起飞溅的条件的理解可以被利用——导致在一些实际领域的潜在突破。
 
一个例子是3D打印,液滴形成了特制产品的构件,如助听器。在这里,停止飞溅是关键,使产品所需的质量。另一个重要的领域是法医学,在法医学中,血迹模式分析依赖于血迹特征来提供血液来源的信息,从而在刑事调查中提供重要信息。
 
最有希望的是,这个新理论将被应用于出现微观空气层的各种相关流动。例如,在气候科学中,它将使我们了解水滴在云的形成过程中是如何相互碰撞的,并能估计被雨水拖入海洋的气体的数量。
 
下次当你把咖啡洒在桌子上的时候,一定要记住这一点。花一点时间去欣赏这种模式,在咒骂和前往你的选择“拖地鞋”之前,欣赏一下它的内在复杂性。

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