平面材料对水花形态的影响

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2016/1/7,#,平面材料对水花形态的影响,1200011002,1200011027,1200011090,1,引言,水滴在我们的生活中司空见惯，水龙头没有关紧，水滴一滴一滴落下滴落在水面亦或是平面的场景相信每个人都见过。但是水滴与平面接触的过程却并不如我们想象的那般简单。,水在与水面接触时并不会直接与水融合。很多人可能会认为，这两部分液体的表面直接接触并存在某种斥力，从而阻碍着它们融在一起。但事实上，造成这种现象的原因正是这两部分液体没有直接接触,它们的中间总是有着另外一种流体的隔断，并起着一种润滑作用。在我问题中，这种流体就是空气。一般来说，空气被完全挤出去的时候就是它们相融的时候。 这种说法是经过科学验证的。科学家们用硅油做了类似的实验。 因为硅油比水的粘度大得多，所以在硅油里发生的同样现象比在水中慢的多而更方便观测。通 过一定的手段，科学家观测到硅油的液面上形成了厘米大小的半球形漂浮硅油液滴，如右图所示：,2,水在和固体平面接触时的情况则有所不同。其中最简单的情况是水滴与完全干燥光滑平面的接触。法国大学的,David Qu,r,教授利用小水滴和光滑的超疏水平面做了一个实验，以研究小水滴的弹性。超疏水平面是通过在平面上形成细小的微米大小的结构，这样小水滴在这个平面上会像在荷叶上一样保持水珠的形状，而不会像在一般平面上那样摊成薄薄的一层。水滴会在平面上如同橡胶球一样弹来弹去，如下图,。,那么我们平时所见到的水花又是如何出现的呢？在任何情况下液滴撞击固体表面都会溅起水花吗？到底是液体和固体的碰撞本应如此，还是有什么其他的因素在起作用呢？目前关于这方面已经有许多学者在做相关的研究。其中取得了显著成绩的一个研究来自芝加哥大学的,Wendy Zhang,教授和,Sidney Nagel,教授，他们研究了在这个过程中气压所扮演的角色。结果如下图所示,3,直径为,3.4,毫米的水滴以,3.74,米每秒的速度落在平面上（相当于从约,70,厘米高的地方落下），而碰撞的过程由高速摄像机忠实地记录下来。 在一个大气压下，水滴撞在平面上，发生形状的变化，而边缘则会激起一圈美丽的托盘样的浪花，碎裂成很多的小水滴。随着气体压强的降低，激起的浪花越来越小。在,0.172,个大气压下，水滴撞到平面上之后，就只是平滑的摊成薄薄的一层，不会激起任何的浪花。由此两位教授得出，空气的存在才是形成浪花的决定条件。,在这个水滴和平面碰撞的过程里，水的表面张力使得水尽量平滑地铺开，而空气对运动的阻碍和摩擦使得水散开的边缘不稳定。这两种因素的竞争就决定了是否会激起水花。他们利用不同液体和气体重复这个过程，得到的结果是一致的。更进一步的研究表明，水滴和平面接触之后，两者正中间的地方会形成一个小气泡，水花飞溅的过程与水和平面间夹着的这层空气有很大的关系。,那么平面的材料在水花的形成与形状扮演着怎样的角色呢？这就是我们在自主实验中所要研究的问题了。,4,实验设计,目前学界普遍的共识是水花的形成与水滴与平面接触时水和平面所夹的空气层对水花的形成及水花的形态有很大影响，那么我们的实验设计就在这一基础上展开。本实验设计的基础假设是：平面板材质通过对水滴与平面接触后在短时间内所产生的空气膜的性质产生影响进而影响水花的形成及其形态。,5,如上四图为水滴滴落到硅胶板上的连续截图，截图间隔时间为,0.001s,。可以看到，随着水滴与平面接触，其下部形态首先崩坏变为水膜与平面接触，其中的空气来不及溢出，随着水滴其余部分继续下落，其下部挤压的空气从四周溢出，使得水花边缘呈现掀起状。,而平面材料对水滴撞击平面所形成的水花及水花形态的影响主要通过材质对空气膜的影响来实现。对于弹性材料和刚性材料来说，水滴撞击平面后所形成的空气膜性质显然有一定差异。就弹性材料而言，一方面被挤压的空气可能相对拥有更多的舒展空间，压强减小，从而使得气体的溢出时间延长，使得水花溅起的高度降低，水花溢出的范围拓宽；另一方面被挤压的空气由于下部平面的反弹和上部水滴的挤压可能溢出地更加猛烈，使得在空气溢出处压强增大，使得水花按与上文所述相反的形态演变。刚性材料相对来说较为稳定，可以作为很好的参照组,。,此外，材料表面对水的亲和性也是很重要的影响因素。对水亲和性好的材料，水珠下部在接触平面之后其内被挤压的空气将更难溢出，这显然对水花的形态演变也有影响，因而纳入自变量考虑。这里没有具体的数值指标表现，故使用了定性描述。,6,综上，本次实验中我们共选取两个自变量：材料的刚性和材料表面对水的亲和性（附着性）。选取的因变量则是水花的形态（包括边缘水花溅起高度及水花溢出范围半径）。基于以上考虑选取了一下五种材料：,403,不锈钢、树脂、亚克力（有机玻璃）、硅胶和橡胶，其相关性能参数如下,：,在实验过程中我们发现在中等高度上各材料间的实验结果相差不太明显，故就水滴下落高度进行了调整，在此过程中也有新的发现，在此不再赘述，详见下文结果与分析部分。,材料,弹性模量（,x105MPa,）,表面对水附着度,不锈钢,2.06,较差,树脂,0.1,较差,亚克力,0.3,较差,硅胶,0.0012,较好,橡胶,0.0000784,较好,7,实验器材与分工,实验装置：铁架台 滴管 背景板 大功率射灯,挡光,布,实验记录：高速摄像机（拍摄帧率每秒,2000,帧，,共记录,4700,帧影像,）,笔记本,电脑,实验物件：不锈钢板 树脂版 亚克力板 硅胶,板,橡胶,板,以上,板材均取,20x20cm,尺寸,实验分工：田再泓负责射灯的开关与摄像机镜,头,的对焦,邓志雷,负责录像的记录,吴,易繁负责液滴的滴加及片面,板材的,更换,8,结果与,讨论,首先对每次实验水滴与平面接触前的照片进行横向对比，确保液滴大小大致一致。,结果如下图 可以看到，在与平面接触时液滴的大小大致一致，符合实验要求。,9,同时水滴最大下落距离为,52cm,，通过预实验我们保证了水滴在这一高度下落并撞击平面后不会发生溅射，即不会分裂为数瓣，从而防止了这一意外因素对实验可能造成的干扰。,详细的结果不再一一展示,首先分析水滴下落高度为,37cm,的五次实验。我们将实验一、实验二、实验五的图像进行对比，,10,对同一高度三块刚性材料的实验可以看出，材料的弹性模量越大，其溅起的水花越低，水花扩散半径越大。可能的解释是平面材料弹性模量越大，在水滴冲击下的形变越小，因而平面与水滴之间的空气得以更快地排出，所以在同一时间其水花扩散半径更大，在水滴体积一定的情况下水花的高度自然更,低,对弹性材料而言现象仍然符合，情况,见,下,图,。可能的解释这里不再赘述。,11,通过对水滴下落距离为,37cm,条件下的五次实验，我们初步得出了平面材料的弹性模量与水花形态的关系：材料的弹性模量越大，其溅起的水花越低，水花扩散半径越大。,为了更好地证明这一问题，我们分别在另外两个不同的高度上对硅胶和亚克力材质的平面进行了实验，其结果如下,：,水滴下落高度为,12cm,水滴,下落高度,为,52cm,12,这两个高度上所进行的实验均与我们通过前五次实验得出的现象与结论吻合，而且水滴从较高高度上下落的实验（实验八和实验九）现象更为明显，可能的原因是水滴初速度增大使得水滴与平面相撞前的初动能增大，从而导致平面材料形变变大，使得水花差异更加明显。,此外，通过前五次实验的图像我们还可以对材料对水的亲和性这一变量对水花形态造成的影响进行研究，这里除了上文所整合的图像再补充以下各帧：,13,综合这些截图，平面材料对于水的亲和度越高，其其溅起的水花越高，水花扩散半径越小。这是材料对水亲和度高阻碍了水花向外传播的缘故。对于疏水的材料比如不锈钢，水花在其上传播速度非常快，自然溅起的水花也低。,14,实验不足与反思,本次实验最大的缺陷在于水滴的产生装置。我们尝试过注射器、毛细管等多种产生液滴的方式，但均由于不能按照实验需求（随时产生脱体液滴）而被放弃，最后我们使用滴管作为液滴发生装置。滴管虽然能迅速地对指令产生反应产生液滴，然而其产生的液滴大小较不稳定，受人为因素影响较大，这对实验结果的准确性也不可避免地产生了负面影响。,本次实验由于对高速摄像机需求的光源强度估计不足，临时从实验室师兄处借得大功率射灯一台作为光源，但射灯光线过强且发热量过大使得参与实验的三名同学都出现了不同程度的身体不适，后来在电脑处操作人员用布遮挡后情况有所好转，但若能提前设计采光环境相信能避免这一情况,。,本次实验最大的遗憾在于器材的匮乏，导致类似气压、湿度、膜面等对水花有重要影响的因素无法被本次实验研究，希望以后能有机会弥补这一遗憾。,15,鸣谢,感谢李存标老师借用实验室的高速摄像机,感谢朱凤荣老师和严蔚飞老师为我们借用实验教室,感谢李存标老师实验室的师兄帮助我们调试摄像机,16,参考文献,Pasquale DellAversana, Noncoalescence of droplets,Y. Couder et. al., Phys. Rev. Lett. 94, 177801 (2005).,F. Blanchette, L. Messio and J. W. M. Bush, Physics of Fluids 21, 072107 (2009).,David Qu,r,，,Nature Materials 1, 14 (2002).,L. Xu, W. Zhang and S. R. Nagel, Phys. Rev. Lett. 94, 184505 (2005).,M. M. Driscoll, C. S. Stevens and S. R. Nagel, Phys. Rev. E 82, 036302 (2010); M. M. Driscoll and S. R. Nagel, arXiv:1108.1129v1 (2011).,17,感谢聆听 欢迎提问,18,