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“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?
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
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