原來水滴用的是超音速爆炸攻擊 | Nature子刊

明敏 2022-08-21 13:44:53 來源：量子位

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量子位 | 公眾號 QbitAI

水滴石穿，本來寓意是“即使是細(xì)微的力量，只要堅(jiān)持也能成大事”。

但最新研究結(jié)論卻顛覆了固有認(rèn)知：

每一滴下落的水滴都搞出了超音速?zèng)_擊波，相當(dāng)于一個(gè)小型“炸彈”。

如此看來，堅(jiān)持確實(shí)是要堅(jiān)持，但這力量可一點(diǎn)也不細(xì)微。

這項(xiàng)研究來自明尼蘇達(dá)大學(xué)華人副教授Xiang Cheng團(tuán)隊(duì)，論文還發(fā)表在Nature子刊上。

其實(shí)現(xiàn)代人研究這個(gè)古老問題很久了，提出過很多假說。

除了最直觀的物理磨損說之外還提出過化學(xué)侵蝕說。

也就是石頭中的碳酸鈣、水、空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸氫鈣。

△據(jù)網(wǎng)友回憶，這個(gè)反應(yīng)還出現(xiàn)在高中會(huì)考卷子上*

總之呢，在這篇論文之前連這一現(xiàn)象主要是物理反應(yīng)還是化學(xué)反應(yīng)都有爭論。

那么這一次，研究團(tuán)隊(duì)是怎么終結(jié)這個(gè)話題的？

高速應(yīng)力顯微鏡揭示“超音速?zèng)_擊波”

通常，想要研究一滴水滴的下落，主要得靠高速攝影機(jī)拍攝的影像。

不過這次，明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員不想只搞視覺分析，而是想在“定量”這個(gè)方向上更進(jìn)一步。

于是，他們整出了一套新裝置：高速應(yīng)力顯微鏡。

設(shè)備長這樣：

具體而言，研究人員會(huì)讓一滴水滴從高度h處下落，以沖擊速度U撞擊PDMS（聚二甲基硅氧烷）凝膠。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，PDMS凝膠已經(jīng)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(cè)，一塊薄薄的片狀激光發(fā)射器會(huì)給凝膠“打光”，激發(fā)其中的熒光示蹤劑。

這樣一來，當(dāng)水滴撞擊凝膠，旁邊的高速攝像機(jī)就能以每秒40000幀的規(guī)格，清楚地記錄下熒光顆粒們的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)這些記錄，研究人員就能以115μm的空間分辨率和0.025ms的時(shí)間分辨率，繪制出水滴下落時(shí)，壓力和剪切應(yīng)力分布隨時(shí)間變化的圖像。

接下來，就是見證結(jié)果的時(shí)刻。

研究人員發(fā)現(xiàn)，液滴擊打物體表面時(shí)的力，并不是集中在液滴中心，而是隨著液滴撞擊擴(kuò)散開來的。

如圖所示，第一行為鋼球下落產(chǎn)生的剪切應(yīng)力分布，第二行則為液滴撞擊的結(jié)果。

相比于鋼球下落，液滴的最大剪切應(yīng)力并非在撞擊點(diǎn)附近，而是隨著液滴的擴(kuò)散徑向傳播的。

更重要的是，液滴擴(kuò)散的速度會(huì)在開始的一小段時(shí)間內(nèi)超過音速，在被撞擊的物體表面形成超音速?zèng)_擊波。

那感覺，就像是在物體表面引爆了一顆小炸彈。

△飛機(jī)的超音速?zèng)_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(shí)吧，你可能更想不到的是，這樣的情況在生活里還挺常見。

你隨手一個(gè)舉動(dòng)，也可能分分鐘搞出超音速現(xiàn)象。

撕個(gè)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(shí)富有穿透力的聲音印象深刻。

一群法國科學(xué)家研究了這個(gè)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)原理也是超音速產(chǎn)生的音爆。

具體來說，膠帶從膠帶卷上剝離不是平滑運(yùn)動(dòng)，而是每隔幾毫米就有停滯，再一次性滑出一大段距離，這個(gè)現(xiàn)象叫做微觀粘滑（micron-stick-slip）

這個(gè)過程中膠帶的彎曲部分會(huì)儲(chǔ)存彈性勢能，并在滑移的瞬間釋放。

根據(jù)理論模型預(yù)測，由此產(chǎn)生的沖擊波速度可達(dá)每秒650-900米，超過兩倍音速。

這篇論文也不簡單，發(fā)表在了物理評論快報(bào)上。

超音速?zèng)_擊波，還出現(xiàn)在開香檳的時(shí)候，軟木塞子彈出的瞬間。

這是由瓶中的高壓二氧化碳?xì)饬魍蝗槐┞对诘蛪涵h(huán)境中高速噴射產(chǎn)生的。

另一群法國科學(xué)家用高速攝像機(jī)拍攝了這個(gè)過程，并進(jìn)行定量研究，論文發(fā)表在Science子刊Science Advances上。

日常生活中的超音速?zèng)_擊波還有一個(gè)來源，那就是廣場上大爺甩的鞭子。

早在1927年，物理學(xué)家就通過高速陰影拍攝技術(shù)發(fā)現(xiàn)了鞭子末端的抖動(dòng)速度可以達(dá)到2馬赫，也就是兩倍音速。

但直到2002年，亞利桑那大學(xué)的兩位數(shù)學(xué)家才解釋清楚具體原理：

沿著鞭子傳播的抖動(dòng)會(huì)形成一個(gè)循環(huán)回路，這個(gè)回路不斷加速直到達(dá)到音速產(chǎn)生音爆。

有網(wǎng)友了解這個(gè)小知識后評論說：

但其實(shí)這些研究除了新奇有趣以外，還有不少應(yīng)用價(jià)值。

比如研究水滴石穿的Xiang Cheng團(tuán)隊(duì)，后續(xù)希望設(shè)計(jì)出能減少?zèng)_擊力、耐腐蝕的涂料。

Xiang Cheng本科畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，博士畢業(yè)于芝加哥大學(xué)物理系，現(xiàn)在在明尼蘇達(dá)大學(xué)研究研究軟材料物理學(xué)、生物物理學(xué)和流體力學(xué)。

另外，研究膠帶的法國科學(xué)家希望能研制出更光滑的無噪音膠帶，同時(shí)認(rèn)為其中的微觀粘滑現(xiàn)象有助解釋地震中建筑物的斷裂。

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