原来水滴用的是超音速爆炸攻击 | Nature子刊

Posted 2022-08-24 QbitAl

梦晨 鱼羊 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

水滴石穿，本来寓意是“即使是细微的力量，只要坚持也能成大事”。

但最新研究结论却颠覆了固有认知：

每一滴下落的水滴都搞出了超音速冲击波，相当于一个小型“炸弹”。

如此看来，坚持确实是要坚持，但这力量可一点也不细微。

这项研究来自明尼苏达大学华人副教授Xiang Cheng团队，论文还发表在Nature子刊上。

其实现代人研究这个古老问题很久了，提出过很多假说。

除了最直观的物理磨损说之外还提出过化学侵蚀说。

也就是石头中的碳酸钙、水、空气中的二氧化碳反应生成碳酸氢钙。

△据网友回忆，这个反应还出现在高中会考卷子上*

总之呢，在这篇论文之前连这一现象主要是物理反应还是化学反应都有争论。

那么这一次，研究团队是怎么终结这个话题的？

高速应力显微镜揭示“超音速冲击波”

通常，想要研究一滴水滴的下落，主要得靠高速摄影机拍摄的影像。

不过这次，明尼苏达大学的研究人员不想只搞视觉分析，而是想在“定量”这个方向上更进一步。

于是，他们整出了一套新装置：高速应力显微镜。

设备长这样：

具体而言，研究人员会让一滴水滴从高度h处下落，以冲击速度U撞击PDMS（聚二甲基硅氧烷）凝胶。

在这个实验中，PDMS凝胶已经被事先处理过：研究人员在其中嵌入直径30μm的低浓度荧光聚苯乙烯颗粒作为示踪剂。

而在凝胶的一侧，一块薄薄的片状激光发射器会给凝胶“打光”，激发其中的荧光示踪剂。

这样一来，当水滴撞击凝胶，旁边的高速摄像机就能以每秒40000帧的规格，清楚地记录下荧光颗粒们的运动。

根据这些记录，研究人员就能以115μm的空间分辨率和0.025ms的时间分辨率，绘制出水滴下落时，压力和剪切应力分布随时间变化的图像。

接下来，就是见证结果的时刻。

研究人员发现，液滴击打物体表面时的力，并不是集中在液滴中心，而是随着液滴撞击扩散开来的。

如图所示，第一行为钢球下落产生的剪切应力分布，第二行则为液滴撞击的结果。

相比于钢球下落，液滴的最大剪切应力并非在撞击点附近，而是随着液滴的扩散径向传播的。

更重要的是，液滴扩散的速度会在开始的一小段时间内超过音速，在被撞击的物体表面形成超音速冲击波。

那感觉，就像是在物体表面引爆了一颗小炸弹。

△飞机的超音速冲击波

是不是有些意想不到，看似无甚力量缓慢滴落的一滴水，竟能在溅射的一瞬间超越音速。

但其实吧，你可能更想不到的是，这样的情况在生活里还挺常见。

你随手一个举动，也可能分分钟搞出超音速现象。

撕个胶带也能超音速

如果你打包过快递包裹，一定对撕透明胶带时富有穿透力的声音印象深刻。

一群法国科学家研究了这个现象，发现原理也是超音速产生的音爆。

具体来说，胶带从胶带卷上剥离不是平滑运动，而是每隔几毫米就有停滞，再一次性滑出一大段距离，这个现象叫做微观粘滑（micron-stick-slip）

这个过程中胶带的弯曲部分会储存弹性势能，并在滑移的瞬间释放。

根据理论模型预测，由此产生的冲击波速度可达每秒650-900米，超过两倍音速。

这篇论文也不简单，发表在了物理评论快报上。

超音速冲击波，还出现在开香槟的时候，软木塞子弹出的瞬间。

这是由瓶中的高压二氧化碳气流突然暴露在低压环境中高速喷射产生的。

另一群法国科学家用高速摄像机拍摄了这个过程，并进行定量研究，论文发表在Science子刊Science Advances上。

日常生活中的超音速冲击波还有一个来源，那就是广场上大爷甩的鞭子。

早在1927年，物理学家就通过高速阴影拍摄技术发现了鞭子末端的抖动速度可以达到2马赫，也就是两倍音速。

但直到2002年，亚利桑那大学的两位数学家才解释清楚具体原理：

沿着鞭子传播的抖动会形成一个循环回路，这个回路不断加速直到达到音速产生音爆。

有网友了解这个小知识后评论说：

但其实这些研究除了新奇有趣以外，还有不少应用价值。

比如研究水滴石穿的Xiang Cheng团队，后续希望设计出能减少冲击力、耐腐蚀的涂料。

Xiang Cheng本科毕业于北京大学物理系，博士毕业于芝加哥大学物理系，现在在明尼苏达大学研究研究软材料物理学、生物物理学和流体力学。

另外，研究胶带的法国科学家希望能研制出更光滑的无噪音胶带，同时认为其中的微观粘滑现象有助解释地震中建筑物的断裂。

水滴石穿论文：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29345-x

撕胶带论文：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.068005

开香槟论文：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aav5528

鞭子论文：
http://goriely.com/wp-content/uploads/2002-PRLwhip-1.pdf

参考链接：
[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/948238
[2]https://physics.aps.org/articles/v12/16
[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/510158