原來水滴用的是超音速爆炸攻擊 | Nature子刊_風聞

夢晨 魚羊 發自 凹非寺

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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衝擊波，相當於一個小型“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，論文還發表在Nature子刊上。

其實現代人研究這個古老問題很久了，提出過很多假説。

除了最直觀的物理磨損説之外還提出過化學侵蝕説。

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。

**△**據網友回憶，這個反應還出現在高中會考卷子上*

總之呢，在這篇論文之前連這一現象主要是物理反應還是化學反應都有爭論。

那麼這一次，研究團隊是怎麼終結這個話題的？

高速應力顯微鏡揭示“超音速衝擊波”

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。

於是，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，以衝擊速度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射器會給凝膠“打光”，激發其中的熒光示蹤劑。

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幀的規格，清楚地記錄下熒光顆粒們的運動。

根據這些記錄，研究人員就能以115μm的空間分辨率和0.025ms的時間分辨率，繪製出水滴下落時，壓力和剪切應力分佈隨時間變化的圖像。

接下來，就是見證結果的時刻。

研究人員發現，液滴擊打物體表面時的力，並不是集中在液滴中心，而是隨着液滴撞擊擴散開來的。

如圖所示，第一行為鋼球下落產生的剪切應力分佈，第二行則為液滴撞擊的結果。

相比於鋼球下落，液滴的最大剪切應力並非在撞擊點附近，而是隨着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衝擊波。

那感覺，就像是在物體表面引爆了一顆小炸彈。

**△**飛機的超音速衝擊波

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，這樣的情況在生活裏還挺常見。

你隨手一個舉動，也可能分分鐘搞出超音速現象。

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。

一羣法國科學家研究了這個現象，發現原理也是超音速產生的音爆。

具體來説，膠帶從膠帶捲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，並在滑移的瞬間釋放。

根據理論模型預測，由此產生的衝擊波速度可達每秒650-900米，超過兩倍音速。

這篇論文也不簡單，發表在了物理評論快報上。

超音速衝擊波，還出現在開香檳的時候，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境中高速噴射產生的。

另一羣法國科學家用高速攝像機拍攝了這個過程，並進行定量研究，論文發表在Science子刊Science Advances上。

日常生活中的超音速衝擊波還有一個來源，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現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學家才解釋清楚具體原理：

沿着鞭子傳播的抖動會形成一個循環迴路，這個迴路不斷加速直到達到音速產生音爆。

有網友瞭解這個小知識後評論説：

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，後續希望設計出能減少衝擊力、耐腐蝕的塗料。

Xiang Cheng本科畢業於北京大學物理系，博士畢業於芝加哥大學物理系，現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製出更光滑的無噪音膠帶，同時認為其中的微觀粘滑現象有助解釋地震中建築物的斷裂。

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