科學原理：水花濺射的原理，千分之一秒的自然之美怎麼形成的？

當你在雨天去工作或者去咖啡館時，你的褲子不可避免地被四濺的水花打濕，但你可曾想過其中的原理？

在平凡的表像之下，液滴展現了自然之美，包含了複雜的物理原理，

科學家們數十年來均未能明白。最近，我(原文作者英國華威大學助理教授James Sprittles)提出了一個新的理論，認為在水滴和物體表面之間薄薄的空氣層導致了水花。

水花的生命週期僅有數千分之一秒，實在難以直接觀測。因此需要利用高速攝影技術捕捉該事件，其中最具代表性的是1957年Harold Eugene Edgerton拍攝的牛奶滴。這些高速攝影下的水花圖片同時表現了大眾的審美情趣和迷人的物理複雜性。

最明顯的問題就是為什麼，以及什麼時候液滴會濺射？

Harold Eugene Edgerton拍攝的牛奶滴

現在相機已經可以每秒拍攝數百萬幀，得到水花的清晰分解細節。然而，知道的越多，未知的也越多。其中最重要是2005年NagelLab的觀測，該觀測表明液滴附近的空氣具有關鍵作用。通過降低氣壓，

可以阻止液滴濺射。事實上，喜馬拉雅山脈底部和山頂液滴濺射的情形可能都不同。

正常情況下的液滴

低壓下的液滴

該發現引發了大量的相關實驗工作，試圖揭開空氣在其中的作用。新的實驗理論揭露了難以置信的動力學：毫米大小的液滴受到千分之一大小的空氣薄膜行為的控制。

液滴接觸固體表面時，液滴無法推開纖薄的空氣層，無法沿著固體表面擴散，這類似於一釐米厚的空氣阻擋海嘯沖上沙灘。在此情形下，一層液體將從主體中飛離出去，分解為更小的液滴，由此產生了液滴的濺射現象。

從咖啡的斑點中我們可以看到這一事件的結果——一灘液體，周圍是一圈更小的液滴。

杯子印旁邊的咖啡濺射圖案

重大突破

通過實驗分析，可以得到十分詳細的液滴濺射觀察，但無法解釋液滴濺射的原理，無從理解其中蘊含的物理機制。

引人注目的是，這樣一個看起來無傷大雅的問題居然無法用經典的流體理論解釋。這是因為空氣層的高度與空氣分子的碰撞距離具有相近的數量級，因此對於該問題需要深入微觀領域進行研究，而這是經典理論沒有考慮的。

空氣層影響液滴濺射的圖示

空氣的行為只能通過原本用於劇烈氣動力流(比如太空梭進入地球大氣層)的理論解釋——即氣體動力學理論。我發表在物理評論快報上的新文章是首個利用動力學理論解釋該現象的研究。

該文建立了液體在固體表面穩定擴散的最大速度標準。先前的研究表明，要產生濺射，液滴的速度必須超過一定的閾值。如果液滴的速度小於該值，液滴就會平滑地擴散。值得注意的是，新理論解釋了為什麼降低氣壓也能抑制液滴的濺射：在此情形下，空氣能更容易地逃離從液滴和物體表面之間的夾層，對液滴的阻力變小。這也是2005年之後諸多重要的科學貢獻中缺失的一環。

重要應用

雖然該研究只是一個基礎科學問題，但卻可以應用于多種實際應用中。

其中一個例子就是3D列印。在3D列印中，液滴形成定制產品的基本元件，比如助聽器，因此防止液滴濺射有助於提升列印產品的品質。另外一個重要的應用領域是司法科學，其中血跡圖案分析需要通過液體濺射特性推斷其來源，對於犯罪調查至關重要。

最有希望的是各種具有微觀空氣層的相關流體應用中。例如，在氣候科學中，該理論有助於理解水滴在雲層中形成時的碰撞過程，估計降雨量。

下次你把咖啡灑在桌子上的時候就想想這個吧。不要急著咒駡和找抹布，花點時間欣賞一下這個圖形以及背後的複雜性。

空氣的行為只能通過原本用於劇烈氣動力流(比如太空梭進入地球大氣層)的理論解釋——即氣體動力學理論。我發表在物理評論快報上的新文章是首個利用動力學理論解釋該現象的研究。

該文建立了液體在固體表面穩定擴散的最大速度標準。先前的研究表明，要產生濺射，液滴的速度必須超過一定的閾值。如果液滴的速度小於該值，液滴就會平滑地擴散。值得注意的是，新理論解釋了為什麼降低氣壓也能抑制液滴的濺射：在此情形下，空氣能更容易地逃離從液滴和物體表面之間的夾層，對液滴的阻力變小。這也是2005年之後諸多重要的科學貢獻中缺失的一環。

重要應用

雖然該研究只是一個基礎科學問題，但卻可以應用于多種實際應用中。

其中一個例子就是3D列印。在3D列印中，液滴形成定制產品的基本元件，比如助聽器，因此防止液滴濺射有助於提升列印產品的品質。另外一個重要的應用領域是司法科學，其中血跡圖案分析需要通過液體濺射特性推斷其來源，對於犯罪調查至關重要。

最有希望的是各種具有微觀空氣層的相關流體應用中。例如，在氣候科學中，該理論有助於理解水滴在雲層中形成時的碰撞過程，估計降雨量。

下次你把咖啡灑在桌子上的時候就想想這個吧。不要急著咒駡和找抹布，花點時間欣賞一下這個圖形以及背後的複雜性。