昨天喝剩的飲料瓶還在嗎?進來看水珠貼貼表演啦!| 正經玩_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-09-12 14:12
原創:中科院物理所
或許同學們偶爾遇到過這樣的現象?
水龍頭的水柱濺到水槽中時,
有幾粒小水珠快速地沿着水面飛奔,
像熱鍋中滴入的水珠一般;
或是用手指敲擊桶裝飲水機的桶壁時,看到一些飄忽不定的小水球。
今天我們就來用飲料瓶來實驗一下~
實驗器材
所標杯、各種飲料瓶、洗潔精、尺子

實驗過程
首先我們隨便拿來一瓶飲料
稍微喝掉一些
一手在瓶蓋處按住它
另一隻手用尺子大力敲擊液麪下方一釐米左右的位置
嗨!嗨嗨嗨!
……

無事發生,貌似只是把氣泡水中的氣泡打上來了
敲的時候感覺力都被弧形的瓶壁散掉了
我們用方形的飲料瓶試試
正好瓶中是帶顏色的液體方便觀察
嗨!

OHHHHH~
雖然短暫,但還是能看到大小不一的水珠
和平時看到的氣泡完全不一樣
它們不僅是存在於液麪上方的
而且非常好動
那我們用方瓶子裝一些帶顏色的碳酸飲料試試看
還是一樣,
瞄準液麪下方一點點的位置,敲!

果然含氣的飲料還是更勝一籌
不僅水珠數量多、持續時間長
還有各種有意思的互動
對於如此強大的碳酸飲料
其實換回圓瓶
如果利用口徑變化帶來的斜面去擊打液麪
也是能起到一定效果的

小編在嘗試各種液體時
發現加入少量洗潔精的水稍微敲擊
就能激起很多很多的小水珠
(可以通過光的折射圖案來分辨水珠與氣泡
氣泡的薄膜會產生彩虹般的干涉條紋
而水球的透鏡現象格外明顯)

不過這裏激起的小水珠沒有之前那麼喜歡直線衝刺
反而喜歡聚在一起貼貼
它們的原理也和之前的不同哦
原理解説
關於水滴短暫地浮於水面而不與水體融合這一現象,從19世紀末就有科學家嘗試解釋。而從21世紀以來,科學家對於不同條件下形成的暫留水珠有着不同的解釋,比如水面有流動、水體上下振動、水滴與水體有温度差,等等。不過他們相同的地方都在於水滴和水面之間存在流動的空氣層,而這層空氣不僅託着水珠不讓其墜入水體中,也推動着水珠向前移動。在較近的一篇工作裏[1] ,研究團隊證明了在靜態的水面上浮起的小水珠會緩慢地轉動,並且水珠的前進與水面產生的表面波無關,完全由水珠底部的空氣流動為主導。在其它的文獻中有研究過這個空氣層的厚度在10微米的量級,所以肉眼幾乎看不見。
而想要在飲料瓶中敲出來小水珠,就需要一個合適的發力點與發力面:首先是這個敲擊得儘可能地引起水面的振動,這樣可以敲出更小的水珠;其次是通過敲擊方形水瓶的稜時,敲擊的力能更好地傳遞到水的表面的一個局部,從而將表面波峯處的部分水激起,變成小水珠。或者對於圓形的飲料瓶,可以將液麪控制在半徑逐漸變大的漏斗狀區域,從而在敲擊時可以給到一個向上的分力方便激起水珠。
對於液體的選擇,在小編的多次嘗試下發現碳酸飲料最容易形成留在表面的小水珠、含氣蘇打水其次,而普通的純淨水需要嘗試很多次才會觀察到小水珠。小編推測在敲擊瓶身時,液體內氣體的逸出很可能會促進水珠下流動空氣層的形成,所以使用溶解氣體非常不穩定的碳酸飲料時現象最為明顯**。**
當然在最後,小編使用了加入少量洗潔精的水製造了大量的小水珠,不過這些小水珠形成的原理就與上邊的那些不同了。這些小水珠與水面上都“插着”一些一邊親水一邊疏水的分子,所以裸露出來的疏水基團之間的斥力托住了小水珠。不過由於這些小水珠並非是由流動空氣層托起的,它們也便沒有高速移動的傾向,所以會團聚在一起。相比之下還是那些由空氣推動的小水珠更有趣一些~
參考文獻
[1] K. L. Law and H.-Y. Chu, “ Bowling water drops on water surface,” Phys. Fluids 31, 067101 (2019).
[2] C. Pirat, L. Lebon, F. Antoine, J.-S. Roche, and L. Limatm, “Gyroscopic instability of a drop trapped inside an inclined circular hydraulic jump,” Phys. Rev. Lett. 105, 084503 (2010).