(这个答案写了两个月 = =,当中被打包回国,办婚宴,飞到另一个城市……等等事情打断,特此道歉)
这类问题叫做 drop impact,如@晓旭 所说,可以扩展为几个博士论文,事实上已经乐此不疲的玩了几十年了,还有东西可挖。而讨论这个问题,一定要给出初始条件。因为液滴的行为会随着液滴状态(速度,形状,是否在振动)、液体粘度、表面张力、碰撞平面类型及性质(非弹性固体 / 光滑固体表面 / 液体薄层 / 深水 / 不同液体碰撞……)等等因素改变。如下图总结:
Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces
这篇文章总结了一些固体表面和液体薄层的情况(好吧我贴这个图是因为它很好看……其实和题中问的不是一个情况……):
DROP IMPACT DYNAMICS: Splashing, Spreading, Receding, Bouncing…
言归正传,本题问的是水滴落入水盆中,且溅起的情况,简化为球形水滴以某初始速度竖直落入平静的深水。
这篇文章讨论了水滴落入速度由小到大对结果的影响,速度很小时只会有一个涡环(vortex ring),速度大一点会溅起一个小包,然后是个液体柱(jet),再大一点液体柱顶部会分离出一个液滴(tip droplet),速度很大时溅起一圈液体层进而分裂成小液滴(crown droplet,俗称水花四溅,此时也会出现 tip droplet,@于淼 和@钱玉刚 的答案均是这种情况)。文章里有每一种情况的高速摄影详图,我不一张张截了。
The transitional regime between coalescing and splashing drops
另一篇文章做了前几种情况的数值模拟,可以看到 tip droplet 大部分还是水滴的水。
An investigation of the flow regimes resulting from splashing drops
@华严 同学提到的 2012 年 6 月 29 日发表的结果(Physical Review Letters,物理学顶级期刊)是沙特砸钱大学的研究成果,是最后一种情况,有一个环形的湍流液体层被溅起来,他们用计算机模拟出了这个湍流层。这个湍流液体层分散成小水滴,就形成飞沫。
这幅计算机模拟图显示,飞沫是混合液体。其中红色是水滴,蓝色是水盆水,绿色是空气。
全文戳这里:Phys. Rev. Lett. 108, 264506 (2012): von K??rm??n Vortex Street within an Impacting Drop
简要版戳这里:Physics – Unexpected Turbulence in a Splash
因此,如果看到水花四溅,溅起的就是混合液体。
掉节操版表述:上厕所前应该冲一下马桶。
哦对了,如果在真空中,一切另当别论,见@晓旭 实验室的研究。
本人不熟流体力学,欢迎指正。
如果文章不能预告,可以私信问我要。
回答“为什么不能架个高速摄影机看两种颜色的水”
简言之,因为看不清楚。
1. 摄影机架在哪里?显微镜怎么配?
这里普及几个数字:一般光学显微镜分辨率是 0.5 到几微米,可以做光切片的激光共聚焦显微镜能达到 100 nm,但速度慢,无法配合高速摄影。同时,高速摄影曝光时间短,要求光源强,增益率高,但信噪比就不可避免降低,分辨率也会受影响。
对比高速摄影和计算机模拟的图
左图比例尺为 500 微米,相机速度已是 20 万帧 / 秒。(嘀咕:你知道这相机多贵嘛多贵嘛……)
预告片在Physics – Unexpected Turbulence in a Splash
这个相机看起来是黑白的,但是彩色相机可能出现的问题是,1)光太弱,有点红的绿的根本分不出来;2)光发生色散。。。彻底玩完,别指望那点颜色了
2. 你如何分辨红条纹和绿条纹的相对位置?紧邻?前后?还是相隔很远?
前面说过了能做光切片的显微镜在这里木有用武之地。
计算机模拟则是时间间隔再小点,三维建模转来转去切片看都完全木有压力。
所以,我也想直接用显微镜看啊!没钱买好东西啊!就算有钱能买到的最好的东西也做不到啊!!!
客官,这篇文章有意思吗?
好玩!预告 App 接着看 (????) ?
再逛逛吧 ˊ_>ˋ
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