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雨后的蜘蛛网,会留下多少水滴?

蜘蛛网由十分纤细的蛛丝编织而成,但在雨后,它们却能留住一串串水滴,在细丝上挂起珠链。雨后的蜘蛛网能留住多少水?雨滴遇到蛛丝般纤细的丝状物时,等待它的将是怎样的命运?

在今年4月的《流体物理》(Physics of Fluids)期刊上[1],来自韩国的研究者们对这个问题给出了新的答案:在不同条件下,落在细丝上的水滴会出现三种结局。通过一系列定量实验,他们最终建立起一个物理模型,这个模型可以预测液滴与细丝将会如何相互作用。

蜘蛛网上能留下多少水滴?图片来自:shutterstock

水滴的三种命运

水滴遇到细丝,它到底是去是留?为了弄清这一点,研究者们在实验室里搭建起了一套观察水滴的实验装置。这套装置包括一个可以不断生产固定直径水滴的滴管,以及一个放置滴管的调节架,它的高度可以在0.5~60厘米之间调节,通过高度调节,也就控制了水滴的下落速度。接下来,水滴会在滴管正下方遇到不同粗细的铜丝。当水滴从高处落下击中铜丝,整个过程将被高速摄影机完整地记录下来以便进行形态分析。并且,铜丝下方的电子天平可以准确记录下水滴残存在铜丝上的重量,以提供定量的数据进行分析。

在试验了不同的水滴速度以及铜丝半径之后,研究者们发现,水滴遇到细丝的表现并非一成不变。在不同的条件下,这些水滴会出现三种不同的结局:

第一种情况,铜丝会“抓住水滴”。在这种情况中,水滴会沿着铜丝向下拉伸,仿佛要挣脱铜丝的牵绊,但最终没能成功,轻微向上回弹并逐渐静止,变成悬挂在铜丝上的一滴小水珠。

图片来自原论文

第二种情况下,铜丝会“抓住又放手”。水滴冲击铜丝的瞬间,会被铜丝分成明显的两个较小的水滴。但两个水滴的上部仍被铜丝“抓住”,仿佛铜丝不愿意松手。随后,两个小水滴移动到铜丝正下方,并重新融合在一起成为一个新的水滴。最终,新水脱离铜丝滴落下来。

图片来自原论文

第三种情况,铜丝“劈裂水滴”。 在这种情况中,水滴直接被铜丝劈裂成两个较小且独立的水滴。与前面的情况不同,这两个水滴不再融合,也不会被铜丝“挽留”,而是果断地“分道扬镳”,分别朝两个方向滴落。

图片来自原论文

谁决定了水滴的去留?

哪些因素决定了水滴的去留呢?经过大量实验,研究者们发现对于尺寸固定的水滴来说,最终出现哪种情况,主要取决于水滴下落的速度和铜丝的粗细。

当这些水滴撞击铜丝的速度超过2米/秒时,由于速度较快,水滴接触铜丝后将被劈裂成两个独立的水滴,即上述的第三种方式;而当水滴的速度较小时,水滴或者挂在铜丝上,或者保持相对完整地滴落,即第一和第二两种方式。而究竟采用这两种方式中的哪一种,又取决于铜丝的粗细——越粗越有利于铜丝“抓住”水滴。

当然,脱离细丝的水滴其实依然会在铜丝上留下一层水膜。水分残留的多少主要取决于铜丝的粗细,而水滴下落的速度其实对此影响很小。

当然,液滴与细丝材料的“相合”程度也是重要的影响因素。通过喷涂处理,研究者们分别制备了“亲水铜丝”和“疏水铜丝”进行试验。结果发现,“亲水铜丝”与不加处理的铜丝模型表现比较相似,而“疏水铜丝”的行为变化比较明显——与水亲和力低的它们更难“抓住”水滴,而且更倾向于将水滴劈成两半。

此外,他们还分析了液滴与铜丝之间的相互作用力。认为重力和惯性力使液滴下落,而表面张力使液滴抗拒下落。因此,纤维能否抓住液滴,是重力、惯性力,以及表面张力之间的搏弈。液滴本身的性能,比如:密度、速度、粘度、尺寸,以及液滴与纤维的半径比,也都将影响液滴下落的运动模式。

网上留下多少水,这是个严肃的工程问题

从蜘蛛网上的雨水产生灵感,研究水滴落到细丝上的物理过程,这听起来是个文艺小清新的故事,不过这其实也是个严肃的工程学问题,在实际生活中也有不少应用。

例如,在智利中北部沙漠南缘有个海边小渔村,环境极度缺水但雾气很重。因此,那里的人们仿照蜘蛛网收集小水珠的方式,采用筛网状的不锈钢网布,从潮湿的雾气中收集水分。雾气中的水分在不锈钢纤维上冷凝,形成越长越大的小水珠,然后滴落并被收集使用。研究水滴与纤维状物体的相互作用,就可以帮助人们更好地从雾气中“捕获”淡水资源。当人们想要在网状结构上喷涂液体涂料时,这些研究成果也能帮得上忙。

由于在实际应用中,大多数纤维会交织在一起,呈现更为复杂的编织状或筛网状,而不仅仅是单独的一根。因此,研究人员未来还将研究当纤维复杂排列时,液滴撞击后将呈现的运动模式,以便更有针对性地指导实际应用。(编辑:窗敲雨)

参考资料:

  1. Sung-Gil Kim and Wonjung Kim. Drop impact on a fiber. Phys. Fluids 28, 042001 (2016); http://dx.doi.org/10.1063/1.4945103
  2. Emilie Dressaire, Alban Sauret, François Boulognec et al. Drop impact on a flexible fiber.  Soft Matter, 2016,12, 200-208 DOI: 10.1039/C5SM02246K 
  3.  http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-04/aiop-wrs040816.php
The End

发布于2016-05-11, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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