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2023-01-31
原來水滴用的是超音速爆炸攻擊 | Nature子刊
更新時間：2022-08-21 16:06:19作者：佚名
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水滴石穿，本來寓意是“即使是細微的力量，只要堅持也能成大事”。
但最新研究結論卻顛覆了固有認知：
每一滴下落的水滴都搞出了超音速沖擊波，相當于一個小型“炸彈”。
如此看來，堅持確實是要堅持，但這力量可一點也不細微。
這項研究來自明尼蘇達大學華人副教授Xiang Cheng團隊，論文還發(fā)表在Nature子刊上。
其實現(xiàn)代人研究這個古老問題很久了，提出過很多假說。
除了最直觀的物理磨損說之外還提出過化學侵蝕說。
也就是石頭中的碳酸鈣、水、空氣中的二氧化碳反應生成碳酸氫鈣。
△據(jù)網(wǎng)友回憶，這個反應還出現(xiàn)在高中會考卷子上*
總之呢，在這篇論文之前連這一現(xiàn)象主要是物理反應還是化學反應都有爭論。
那么這一次，研究團隊是怎么終結這個話題的？
高速應力顯微鏡揭示“超音速沖擊波”
通常，想要研究一滴水滴的下落，主要得靠高速攝影機拍攝的影像。
不過這次，明尼蘇達大學的研究人員不想只搞視覺分析，而是想在“定量”這個方向上更進一步。
于是，他們整出了一套新裝置：高速應力顯微鏡。
設備長這樣：
具體而言，研究人員會讓一滴水滴從高度h處下落，以沖擊速度U撞擊PDMS（聚二甲基硅氧烷）凝膠。
在這個實驗中，PDMS凝膠已經(jīng)被事先處理過：研究人員在其中嵌入直徑30μm的低濃度熒光聚苯乙烯顆粒作為示蹤劑。
而在凝膠的一側，一塊薄薄的片狀激光發(fā)射器會給凝膠“打光”，激發(fā)其中的熒光示蹤劑。
這樣一來，當水滴撞擊凝膠，旁邊的高速攝像機就能以每秒40000幀的規(guī)格，清楚地記錄下熒光顆粒們的運動。
根據(jù)這些記錄，研究人員就能以115μm的空間分辨率和0.025ms的時間分辨率，繪制出水滴下落時，壓力和剪切應力分布隨時間變化的圖像。
接下來，就是見證結果的時刻。
研究人員發(fā)現(xiàn)，液滴擊打物體表面時的力，并不是集中在液滴中心，而是隨著液滴撞擊擴散開來的。
如圖所示，第一行為鋼球下落產(chǎn)生的剪切應力分布，第二行則為液滴撞擊的結果。
相比于鋼球下落，液滴的最大剪切應力并非在撞擊點附近，而是隨著液滴的擴散徑向傳播的。
更重要的是，液滴擴散的速度會在開始的一小段時間內超過音速，在被撞擊的物體表面形成超音速沖擊波。
那感覺，就像是在物體表面引爆了一顆小炸彈。
△飛機的超音速沖擊波
是不是有些意想不到，看似無甚力量緩慢滴落的一滴水，竟能在濺射的一瞬間超越音速。
但其實吧，你可能更想不到的是，這樣的情況在生活里還挺常見。
你隨手一個舉動，也可能分分鐘搞出超音速現(xiàn)象。
撕個膠帶也能超音速
如果你打包過快遞包裹，一定對撕透明膠帶時富有穿透力的聲音印象深刻。
一群法國科學家研究了這個現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)原理也是超音速產(chǎn)生的音爆。
具體來說，膠帶從膠帶卷上剝離不是平滑運動，而是每隔幾毫米就有停滯，再一次性滑出一大段距離，這個現(xiàn)象叫做微觀粘滑（micron-stick-slip）
這個過程中膠帶的彎曲部分會儲存彈性勢能，并在滑移的瞬間釋放。
根據(jù)理論模型預測，由此產(chǎn)生的沖擊波速度可達每秒650-900米，超過兩倍音速。
這篇論文也不簡單，發(fā)表在了物理評論快報上。
超音速沖擊波，還出現(xiàn)在開香檳的時候，軟木塞子彈出的瞬間。
這是由瓶中的高壓二氧化碳氣流突然暴露在低壓環(huán)境中高速噴射產(chǎn)生的。
另一群法國科學家用高速攝像機拍攝了這個過程，并進行定量研究，論文發(fā)表在Science子刊Science Advances上。
日常生活中的超音速沖擊波還有一個來源，那就是廣場上大爺甩的鞭子。
早在1927年，物理學家就通過高速陰影拍攝技術發(fā)現(xiàn)了鞭子末端的抖動速度可以達到2馬赫，也就是兩倍音速。
但直到2002年，亞利桑那大學的兩位數(shù)學家才解釋清楚具體原理：
沿著鞭子傳播的抖動會形成一個循環(huán)回路，這個回路不斷加速直到達到音速產(chǎn)生音爆。
有網(wǎng)友了解這個小知識后評論說：
但其實這些研究除了新奇有趣以外，還有不少應用價值。
比如研究水滴石穿的Xiang Cheng團隊，后續(xù)希望設計出能減少沖擊力、耐腐蝕的涂料。
Xiang Cheng本科畢業(yè)于北京大學物理系，博士畢業(yè)于芝加哥大學物理系，現(xiàn)在在明尼蘇達大學研究研究軟材料物理學、生物物理學和流體力學。
另外，研究膠帶的法國科學家希望能研制出更光滑的無噪音膠帶，同時認為其中的微觀粘滑現(xiàn)象有助解釋地震中建筑物的斷裂。
水滴石穿論文：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29345-x
撕膠帶論文：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.068005
開香檳論文：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aav5528
鞭子論文：
http://goriely.com/wp-content/uploads/2002-PRLwhip-1.pdf
參考鏈接：
[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/948238
[2]https://physics.aps.org/articles/v12/16
[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/510158