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            水滴的神秘力量

            發表時間:2022/4/15 20:26:38  來源:原理  瀏覽次數:1140  
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            水的侵蝕力似乎是一個悖論。它可以從你的指間輕輕滑過,也能成為地球上最具破壞力的液體,一滴指尖大小的水滴,能輕柔地被你的舌尖抓住,但也有雕刻石頭的能力。

            在東西方文化中,都有類似“水滴石穿(Dripping water hollows out stone, not through force but through persistence.)的說法。它們都教導我們要堅持不懈,當你一直堅持下去,即使最微小的力量,也能創造巨大的影響。

            但從力學的角度來說,這背后究竟是什么原因,讓這種流動而柔軟、看似無害的物質具有如此大的侵蝕力?

            揭開水滴的神秘力量

            液滴對顆粒狀的沙質表面(左)與堅硬的石膏(右)表面的影響。

            圖片來源:Cheng Research Group, University of Minnesota


            在一項最新研究中,科學家揭示了那種讓液滴能夠侵蝕堅硬表面的隱藏力量。借助一種新開發的高速應力顯微技術,研究人員現在有能力測量液滴對表面的沖擊所產生的剪切應力和壓強等隱藏量,為研究液體侵蝕現象提供了一種更定量的方法。研究已于近日發表在《自然·通訊》上。


            高速應力顯微技術

            對液滴的研究并不新鮮,研究人員長期以來一直對它們非常著迷,從雨滴落地的方式,到氣溶膠中的病原體傳播都有研究。但先前,大多數研究都僅僅局限于視覺分析,比如用高速攝像機捕捉水滴下落和撞擊表面的過程。但這顯然會漏掉很多必要的細節。

            在研究中,科學家團隊開發了一種新的技術,被稱為高速應力顯微技術,它可以通過直接測量液滴撞擊表面時下方的力、應力和壓強,更直觀地揭開這一過程的細節。

            揭開水滴的神秘力量

            圖(a)展示了高速應力顯微原理。一個水滴從高度h的地方落下,以沖擊速度U撞擊到埋有顆粒的PDMS(聚二甲基硅氧烷)凝膠的表面。下方的插圖展示了這個表面的照片。圖(b)展示了高速應力顯微(左)和有限元模擬(右)對鋼球撞擊引起的剪應力(上)和壓強(下)的比較結果。| 圖片來源:Sun, T. et al. (2022)


            研究人員發現,液滴施加的力實際上會隨著撞擊的液滴擴散,而不是集中在液滴的中心,而且液滴擴散的速度在一段很短的時間里可以超過音速,從而在物體表面上產生沖擊波。

            簡單來說,每一個液滴的行為就像一顆微型炸彈,爆炸性地釋放出它的沖擊能量,并施加必要的力,從而侵蝕表面。


            研究液滴沖擊的新途徑

            有了這種新發展的技術手段,團隊已經開始著手研究不同的質地和材料如何改變液滴沖擊所產生的力。

            在揭開水滴神秘力量的面紗之后,研究人員相信新的見解可以幫助設計出更多的抗侵蝕表面。

            人們通常會在建筑物上涂一層保護漆,或者給一些暴露在戶外的儀器表面增加涂層,來保護這些表面,但隨著時間的推移,雨滴仍然會帶來不可避免的損害。有了這些新結果,就有機會更有針對性地設計出一些特殊的表面,比如采用某種方法降低水滴的剪應力。

            撰文:Gaviota

            參考來源:

            https://twin-cities.umn.edu/news-events/new-study-solves-mystery-how-soft-liquid-droplets-erode-hard-surfaces

            https://www.nature.com/articles/s41467-022-29345-x

            https://cosmosmagazine.com/science/physics/water-erosive-power/

            封面/首圖來源:pxhere

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