當(dāng)雨滴落入水坑或池塘?xí)r，若其動能充足，就會引發(fā)類似冠狀的飛濺現(xiàn)象，產(chǎn)生大量快速飛散的次級液滴，并將水面上的微粒一并拋向空中。一直以來，科學(xué)家都認(rèn)為深入研究這一現(xiàn)象對于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等多個領(lǐng)域都意義重大。

盡管飛濺現(xiàn)象無處不在，但其動態(tài)過程卻極其復(fù)雜且轉(zhuǎn)瞬即逝，使得相關(guān)物理機(jī)制長期以來成謎。現(xiàn)在，在一項新的研究中，一個研究團(tuán)隊利用高速成像技術(shù)首次完整記錄了液滴濺入深水池時的全過程，并詳細(xì)揭示了在水面之上和水面之下的動態(tài)變化。

利用超高速攝像技術(shù)，新研究逐毫秒捕捉了液滴撞擊深水池時液體演變的全程細(xì)節(jié)。（圖/Dandekar et al. / MIT News）

之上與之下

當(dāng)液滴撞擊水池時，其沖擊不僅沖破水面，還會將空氣拖入池底，形成一個短暫的空腔。幾乎就在同一時刻，一層液體迅速從水面升起，形成一個類似“王冠”的結(jié)構(gòu)。實際上，在早期的研究中，科學(xué)家就已捕捉到液滴飛濺的瞬間影像，例如依靠開創(chuàng)性的高速攝影技術(shù)拍攝到的“牛奶滴冠”照片。

著名的“牛奶滴冠”圖片，于1957年1月10日由Harold Eugene所拍攝。（圖/Harold Eugene via MIT Museum）

近年來，一些研究在模擬水池中液滴飛濺時水下空腔的演變方面取得了進(jìn)展，并將其主要應(yīng)用于能量收集領(lǐng)域。然而，對于液滴撞擊后水面上形成冠狀結(jié)構(gòu)如何受到水下空腔影響，依然知之甚少。研究人員認(rèn)為，水面上下所發(fā)生的現(xiàn)象描述之間的脫節(jié)，限制了對液滴如何將化學(xué)物質(zhì)、顆粒和微生物噴射到空氣中的準(zhǔn)確預(yù)測。

超高速成像下的飛濺細(xì)節(jié)

在新的實驗中，研究團(tuán)隊設(shè)計了一套專門的實驗裝置，將水滴釋放入深度至少為20厘米的水池中，確保飛濺過程不受池底干擾。實驗中，他們調(diào)控了液滴的尺寸（平均直徑約5毫米）和投放高度，使液滴以不同速度（平均約5米/秒）撞擊水面。這種設(shè)置與暴雨時發(fā)生在水坑或池塘中的情景極為相似。

接著，團(tuán)隊以每秒12,500幀的超高速率記錄了整個飛濺過程，并通過專門的圖像處理方法提取出關(guān)鍵數(shù)據(jù)——包括水下空腔的寬度與深度變化，以及上升的冠狀結(jié)構(gòu)的直徑與高度演變。尤其難以捕捉的是冠狀結(jié)構(gòu)的壁厚、輪廓及內(nèi)部流動特征，也就是從水池中升起的液柱在形成邊緣和尖點前的細(xì)微變化。

研究人員認(rèn)為，圓柱形的液壁及其在時間和空間中的演變，是一切的核心。GIF已被修改為每秒5幀。（圖/Dandekar et al. / MIT News）

研究人員指出，這一圓柱形的液壁及其在時間和空間中的演變是整個飛濺過程的核心——它不僅連接了池中液體與即將形成邊緣的液體，還為噴射出更小的次級液滴提供了條件。

最終，他們將影像數(shù)據(jù)整理為一組“演化方程”，構(gòu)建了一個閉合式的數(shù)學(xué)模型。該模型將液滴撞擊時產(chǎn)生的空腔寬度、冠壁厚度與速度分布等特性，與液滴的初始尺寸及撞擊速度聯(lián)系起來，描述了這些特性隨時間的變化，從而預(yù)測液滴撞擊水池時形態(tài)的變化與合并過程。

意義與展望

這項研究不僅深化了我們對飛濺現(xiàn)象動態(tài)細(xì)節(jié)的理解，還首次揭示了次級液滴與水下和水面現(xiàn)象之間的耦合機(jī)制，為進(jìn)一步探討液滴對環(huán)境中顆粒傳遞和分布的影響奠定了堅實基礎(chǔ)。

未來，研究團(tuán)隊計劃將這一新模型應(yīng)用于次級液滴行為的深入研究，探討飛濺液滴如何攜帶并噴射顆粒，從而闡明飛濺過程在將病原體和殺蟲劑等微粒散布至環(huán)境中的作用，為在三維空間中研究液滴飛濺問題開辟全新可能性。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2025/high-speed-videos-show-what-happens-when-droplet-splashes-pool-0221

https://doi.org/10.1017/jfm.2024.1105

#圖片來源：

封面圖&首圖：roegger / Pixabay