水滴的研究

关于水滴的一些探讨

2012-06-27 18:18:49| 分类：科学探索 | 标签：豆芽兵原创生活 |字号订阅

本篇文章涉及的知识点比较多，全是探讨性的，我做的不是原创性的工作，是大家都能搜索到的，我只是把整理在一起。但谁说知识系统的整理就不是创造性的工作呢?

可能有人觉得我探索这些问题有什么用呢，是不是太闲了。

我的观点

1：做这件事时，是一个探索的过程，让我学习到，物理数学等各方面知识。对我养成科学素养有很大帮助

2：对我制作CG特效有很大帮助，让我制作时不盲目。下面每一节都有一个相关小猜想。

3：对本质的探索，是我让我活下去的动力。不然我就不知道我为什么活着了4：附加作用是，能让看博客的你，感觉世界上竟然有我这样的人。（）

由此看出做这些看似无聊的事，其实很有意义的。至少比睡懒觉，发呆，跟人吵架生气有意义的多。

一切是由下面这张图引起的：

艺术性的描述：柔和的光线里，她从空中落下，玲珑的身体落在平平的水面上，水面轻轻下陷，伴随着一圈圈向外而去轻微的波纹，她被弹回空中，如是者三；突然她融入水中，水面上出现了几圈大些的波纹，一个小一些但玲珑依旧的她又弹回空中，开始了另一个轮回……

再来一段标准性的描述：水滴和水面相撞时首先会激起一圈环形的结构，把水向周围排开。环形结构里的水流回中间的时候，又会把一些水激起，形成一个水柱。然后，类似地，水柱里的水向下回流，同时水柱迅速变瘦，在水柱的顶端偏下的位置形成一个断点，就这样，一个小水滴形成了。在这整个过程中飞溅的浪花和断开的水柱会形成很多小水滴，其中有一部分竖直方向运动速度较小，就会形成前面提到的漂浮在水面上的小水滴。

这是我准备写的博文，思维导图。（如果有人对思维导图有兴趣，欢迎交流）一共有五个问题：

一、水滴时下落为什么呈球形？

二、水滴落入水是地，具体怎样融入水中的？

三、水滴下落后，为何再弹起一滴？

四、水滴碰撞，为什么产生水花？

五、水面一圈圈波纹怎么回事？

名词解释：

水：水（化学式：H2O）是由氢、氧两种元素组成的无机物，在常温常压下为无色无味的透明液体。水是地球上最常见的物质之一，是包括人类在内所有生命生存的重要资源，也是生物体最重要的组成部分。水在生命演化中起到了重要的作用。

流体：流体就是在承受剪应力时将会发生连续变形的物体。气体和液体都是流体。流体没有一定形状，几乎可以任意改变形态，或者分裂。

表面张力：表面张力是一种物理效应，它使得液体的表面总是试图获得最小的、光滑的面积，就好像它是一层弹性的薄膜一样。其原因是液体的表面总是试图达到能量最低的状态。

水滴：水滴，是小量的水体，能以任何形态出现。

表面张力成因：

用分子力解释：液体的内聚力是形成表面张力的原因。在液体内部，每个分子都在每个方向都受到邻近分子的吸引力（也包括排斥力），因此，液体内部分子受到的分子力合力为零。然而，在液体与气体的分界面上的液体分子在各个方向受到的引力是不均衡的（见图解）造成表面层中的分子受到指向液体内部的吸引力，并且有一些分子被“拉”到液体内部。因此，液体会有缩小液面面积的趋势，在宏观上的表现即为表面张力现象。

用分子势能解释：液体内部分子周围有大量分子，因此，内部分子的分子势能较低。然而，表面层中的分子周围的分子明显小于液体内部分子的，所以，表面层的分子有较高的分子势能。为了达到低能量的稳定状态，表面层中的分子有向液体内部移动的趋势，从而导致表面层中的分子数量减少，宏观表现为液体表面积减小。

效应

一、水滴下落时为什么呈球形？

1.物质总自然趋于势能最低的状态

2.在空间几何体中，球形的表面势能最小。球形是同体积几何体中，表面积最小的，球形是同表面积几何体中，体积最大的。球体是一种表面没有棱角的几何体。

上面这两个概念的证明，本文就不涉及了，把它当作最基本自然法则即可。有兴趣读者可以做一些证明。

失重：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的情况称为失重现象。

人对支持物的压力等于零，便是所谓的“完全失重”。宇航员在空间站里便是“完全失重”的状态。

应当注意的是，人处于失重状态时，人的重力没有变化(同一地点)，始终存在，只是人对支持物体的压力变化了而已，其实是人的一种错觉。

完全失重的定量分析：

当a=g时，支持力为N，由牛顿第二定律知：

mg－N=ma=mg 所以N=0

由牛顿第三定律可知，物体对支持物的压力为0

得出结论：向下加速向上减速：加速度方向向下，产生失重现象

故只要加速度方向向下就是失重，与速度方向无关。

解答：水滴实质是水，水是一种流体，流体都具有表面张力。物理体系倾向于能量小的状态，液体会倾向于最小的表面积。在同体积几何体中的表面积最小的是球体。水下落时，根据经典力学，此时加速度等于重力（忽略其它因素）。这时水滴只受表面张力，这一个力的影响。自然得出下落时的水滴就呈球形了。

CG特效猜想：平时做水滴，我总想做成，锥形的，哪知道这样效果，跟实际不那么相符合的。是不是表面张力，在模拟时，要着重考虑。甚至不加重力。二、水滴下落入水中时，具体是如何慢慢融进水中的解答：水滴可以在水面上跳动而不会立刻融入进去，是因为在水滴和水面之间有着薄薄的一层空气膜分隔着它们。John Bush教授发现，当水滴落入水面时，这个过程并不像大家经常认为的，是水滴直接融入到水里那么简单，而是更加复杂的过程。高速摄像机的镜头下我们可以看到，在有空气膜存在的情况下，水滴在水面上就像小朋友在蹦蹦床上一样，弹上弹下；当能量消耗完之后，水滴就会静止在水面上，空气层的厚度慢慢变薄，直到水滴和水面直接接触，这时水滴会突然融入水面并产生新的一个小水滴，小水滴会向上弹起，然后再重复之前的过程。如下图所示

水滴融入水面的时候，水滴的下端先和水面接触并且接触面逐渐变大；随着这个过程的继续，水滴里面大部分的水会被挤到下面的水里，水滴也慢慢变“瘦”，而水滴和液面相连的地方会逐渐变小直到成为一个点，从而把一部分原来水滴的水分割出来；当这个点断开之后，这部分水形成的小水滴就会在表面张力的作用下向上弹起来。