薄餅彈跳

“薄餅彈跳”(pancake bounce)是一種獨特的流體力學現象,這種現象最初是在超疏水表面上觀察到的。

現象描述

荷葉表面覆蓋著蠟質,同時又有很多刷子狀的微觀凸起結構,因此它與水很不親和。科學家們製作人工的超疏水材料也是採取了這樣的思路,超疏水材料對水滴是如此“拒絕”,水滴落在上面是不但不會潤濕表面,還會在表面上彈跳,就像是蹦床上的運動員一樣。

如果仔細觀察這些彈跳的小水滴,一般會看到它們在撞上疏水表面之後先是被“壓扁”,然後再逐漸回縮,恢復原來的形狀,再從表面上彈起來。但是,在特定情況下,小水滴卻會以截然不同的狀態蹦起來——它們在騰空時依然保持著被“壓扁”的樣子,這就是“薄餅彈跳”(pancake bounce)了。

觀測方法

在排列著整齊凸起的超疏水表面上就能觀察到水滴的“薄餅彈跳”,但遺憾的是,由於突起陣列間的間距只有0.2毫米,它們只能在顯微鏡下進行觀察,也不方便物理學家進行深入研究。

實驗證實

於是,赫克歇爾博士在指導學生觀察這個有趣的現象時,提出了一個大膽的假設:我們能不能把尺度放大,把這種現象帶進巨觀世界呢?這樣一來,觀察和測量就會變得很方便了。但是,這能做到嗎?

答案是:真的能。

他們將256個釘子布置在平板上,做成一個大的釘子板陣列。釘子彼此之間距離約為1.85厘米,以模擬亞毫米級疏水材料表面密集的刷毛狀突起。如此以來,他們製作出一個相當於“放大了100倍的荷葉表面”。隨後,為了增大巨觀下“大水滴”的表面張力,他們選用裝滿水的氣球來代替水滴。同時,採用一個數位相機以每秒300幀的頻率記錄衝擊發生時的慢動作,並在平板下放置壓電感測器來記錄衝擊力。

實驗中,他們讓裝滿水的氣球以不同速度落在釘板表面,並觀察氣球的變形情況。結果,當氣球下落的速度超過一定臨界值之後,可愛的“薄餅彈跳”出現了。對比顯示,在放大了一百倍的釘板上,水球的表現和疏水表面上的水滴非常相似。

進一步的研究顯示,下落的水球之所以會出現“薄餅彈跳”,是因為釘板具有空隙(超疏水表面的凸起也是如此)。當水球撞擊釘板時,它會部分陷入釘子陣列中,並在氣球膜的作用下受到回縮的彈力(對於水滴而言,則是表面張力)。隨後,氣球迅速被反彈回去,整個水球就像是受到彈簧的彈力一樣,“圓餅”形狀還沒來得及恢復就整個騰空而起了。

經過如此簡單而巧妙的實驗設計,這種獨特的液滴彈跳現象被放大到了肉眼可見的程度,小水滴在疏水材料表面彈跳的奧秘也隨之真相大白。液滴在彈跳時容易發生破裂,而水球則更容易保持完整,測量起來也很方便。因此,研究者們希望利用這個放大版的模型來進行更多研究。

此外,這個實驗簡便又直觀,也很適合走進課堂,用來給學生做演示。你也一樣可以自己動手,製作在釘板上蹦跳的水球。

不過要注意:這個實驗並非總能成功。研究者表示,超過1.5米的下落就會讓水球破裂,釘子太少或是氣球膜不均勻時,氣球也可能會破掉。小心不要弄得一身水喔。

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