“水滴石穿”：水滴的神秘力量

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(dǎo)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(chuàng)造巨大的影響。

但從力學(xué)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(zhì)具有如此大的侵蝕力？

液滴對顆粒狀的沙質(zhì)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(xué)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(fā)的高速應(yīng)力顯微技術(shù)，研究人員現(xiàn)在有能力測量液滴對表面的沖擊所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和壓強等隱藏量，為研究液體侵蝕現(xiàn)象提供了一種更定量的方法。研究已于近日發(fā)表在《自然·通訊》上。

高速應(yīng)力顯微技術(shù)

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(shù)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(jié)。

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

圖(a)展示了高速應(yīng)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(yīng)力顯微（左）和有限元模擬（右）對鋼球撞擊引起的剪應(yīng)力（上）和壓強（下）的比較結(jié)果。| 圖片來源：Sun, T. et al. (2022)

研究人員發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(fā)展的技術(shù)手段，團隊已經(jīng)開始著手研究不同的質(zhì)地和材料如何改變液滴沖擊所產(chǎn)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(shè)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(jié)果，就有機會更有針對性地設(shè)計出一些特殊的表面，比如采用某種方法降低水滴的剪應(yīng)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