走进科学：水花的原理

当你在雨天去工作或者去咖啡馆时，你的裤子不可避免地被四溅的水花打湿，但你可曾想过其中的原理？

在平凡的表象之下，液滴展现了自然之美，包含了复杂的物理原理，科学家们数十年来均未能明白。最近，我(原文作者英国华威大学助理教授James Sprittles)提出了一个新的理论，认为在水滴和物体表面之间薄薄的空气层导致了水花。

水花的生命周期仅有数千分之一秒，实在难以直接观测。因此需要利用高速摄影技术捕捉该事件，其中最具代表性的是1957年Harold Eugene Edgerton拍摄的牛奶滴。这些高速摄影下的水花图片同时表现了大众的审美情趣和迷人的物理复杂性。最明显的问题就是为什么，以及什么时候液滴会溅射？

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Harold Eugene Edgerton拍摄的牛奶滴

现在相机已经可以每秒拍摄数百万帧，得到水花的清晰分解细节。然而，知道的越多，未知的也越多。其中最重要是2005年NagelLab的观测，该观测表明液滴附近的空气具有关键作用。通过降低气压，可以阻止液滴溅射。事实上，喜马拉雅山脉底部和山顶液滴溅射的情形可能都不同。

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正常情况下的液滴

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低压下的液滴

该发现引发了大量的相关实验工作，试图揭开空气在其中的作用。新的实验理论揭露了难以置信的动力学：毫米大小的液滴受到千分之一大小的空气薄膜行为的控制。

液滴接触固体表面时，液滴无法推开纤薄的空气层，无法沿着固体表面扩散，这类似于一厘米厚的空气阻挡海啸冲上沙滩。在此情形下，一层液体将从主体中飞离出去，分解为更小的液滴，由此产生了液滴的溅射现象。从咖啡的斑点中我们可以看到这一事件的结果——一滩液体，周围是一圈更小的液滴。

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杯子印旁边的咖啡溅射图案

重大突破

通过实验分析，可以得到十分详细的液滴溅射观察，但无法解释液滴溅射的原理，无从理解其中蕴含的物理机制。引人注目的是，这样一个看起来无伤大雅的问题居然无法用经典的流体理论解释。这是因为空气层的高度与空气分子的碰撞距离具有相近的数量级，因此对于该问题需要深入微观领域进行研究，而这是经典理论没有考虑的。

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空气层影响液滴溅射的图示

空气的行为只能通过原本用于剧烈气动力流(比如航天飞机进入地球大气层)的理论解释——即气体动力学理论。我发表在物理评论快报上的新文章是首个利用动力学理论解释该现象的研究。

该文建立了液体在固体表面稳定扩散的最大速度标准。先前的研究表明，要产生溅射，液滴的速度必须超过一定的阈值。如果液滴的速度小于该值，液滴就会平滑地扩散。值得注意的是，新理论解释了为什么降低气压也能抑制液滴的溅射：在此情形下，空气能更容易地逃离从液滴和物体表面之间的夹层，对液滴的阻力变小。这也是2005年之后诸多重要的科学贡献中缺失的一环。

重要应用

虽然该研究只是一个基础科学问题，但却可以应用于多种实际应用中。

其中一个例子就是3D打印。在3D打印中，液滴形成定制产品的基本元件，比如助听器，因此防止液滴溅射有助于提升打印产品的品质。另外一个重要的应用领域是司法科学，其中血迹图案分析需要通过液体溅射特性推断其来源，对于犯罪调查至关重要。

最有希望的是各种具有微观空气层的相关流体应用中。例如，在气候科学中，该理论有助于理解水滴在云层中形成时的碰撞过程，估计降雨量。

下次你把咖啡洒在桌子上的时候就想想这个吧。不要急着咒骂和找抹布，花点时间欣赏一下这个图形以及背后的复杂性。

本文译自 theconversation，由 CliffBao 编辑发布。