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水滴研究的启示

发布日期:2012-10-29 15:10  来源:贵阳市科普作协 李萍  字体:【

 

下雨时屋檐滴水,漏水时水龙头滴水,冰融化时冰锥滴水……水滴不厌其烦地落下。人们司空见惯了这些“嘀嗒嘀嗒”唱着歌的水滴,有心人则从中获得诸多启示。

我国古代学者曾以“水滴穿石”劝人励志。俄罗斯著名作家米哈伊尔·米哈伊洛维奇·普里什文(18731954)在他的散文《水滴和石头》中则形象地记述了这些可爱的小水滴:

窗下地面的冰还很硬,但和煦的阳光照一会儿,挂在屋檐的冰锥

便滴下水来。每一滴水在临死时发出“我!我!我!”的声音,它的

生命只有一刹那的功夫。“我”这是痛感无能为力而发出的悲声。

但是眼看地面上的冰已被水滴出了一个小坑;冰在融化,一直到化

净了,屋檐上亮晶晶的水滴还在一声声叫着。

水滴落在石头上,清楚地地发出“我“的声音。石头又大又坚硬,

也许还要在这儿卧上一千年,水滴却仅仅活一瞬间,不过是痛感无能为

力而已。然而,“水滴石穿”的道理却是千古不变。那许多的“我”汇

合成了“我们”,力量之强,不仅能滴穿石头,有时还形成滚滚急流,

竟把石头冲走。

耐人寻味。看来真的不能小觑这些小水滴。水滴很小、很轻微,生命只有一刹那;石头很巨大、很坚硬,可以存在千百年。但水滴竟然击穿了巨石!这无疑给了弱者或懦者以信心和勇气、理智和启迪。起到了励志的效果。这是几千年来人们从社会、心理角度对小水滴的观察成果。

从科学技术的角度来讲,“水滴石穿”的原因是经过了科学家反复研究才得到的。现在基本可以确认,“水滴石穿”除了水滴冲击力的作用外,主要是空泡在起作用。有人以高速摄影机对准下落的水滴,当它落到地面的瞬间,水滴的形状由圆变扁而后四散溅开,这时,水滴中心附近的局部流速很大,造成局部压力减少,于是空泡产生。空泡的直径很小,但其作用不可忽视。空泡产生后,随着外部压力增大而闭合,空泡闭合会产生很高的压力,无数空泡闭合产生爆炸的高压,久而久之,坚硬的石头便被“咬”出一个坑。(对此有兴趣的读者可参考李萍编著的《成语中的科学知识》(p6-p10),贵州科技出版社出版

普里什文在他的文章里还指出,水滴“不仅能滴穿石头,有时还形成滚滚急流”,这是事实,因为地球上所有的水都是由水滴汇合而成的。据此,现代的有识之士提醒人们关好水龙头,珍惜宝贵的水,因为漏水龙头一昼夜可滴水86.4公斤(约合145瓶矿泉水)。

除此之外,似乎很少有人会去注意到极其寻常的小水滴,更不必说去研究水滴的特点以及它形成和下落运动的规律了。

我这里所说的水滴,不包括空中的雨滴那类单粒形态的水颗粒,而是有连续不断水源补充的水滴,比如雨中屋檐或漏水龙头滴下的水滴。雨滴那类单粒形态的水,其形态和形成规律已基本有定论;而有水源补充的水滴,科学家们关注已经很有些年头了,至今仍在探索。

以龙头滴水为例。一百多年前就有人注意到,水滴开始会在出口处形成凸起,当水补充时,由于水的表面张力,这个凸起会形成梨形的水囊。接着,这个“梨”的底部下落速度开始比上部补充进来的水的速度快,“梨” 的上部变成了“瓶颈”。在重力作用下“瓶颈”越来越细,终于断了,于是水滴落了下去。根据这样的观察,有人在1827年弄出了一个“滴水方程式”,详细地描述了包括重力、压力、水的黏度、表面张力等诸多因素对水滴的作用和影响。复杂到了难以找到确定的限制条件,以致无法求解。从那以后,人们对小水滴陷入茫然,没有人敢再去问津。直到1994年,美国芝加哥大学的詹·艾格斯才斗胆重拾这个难题。

艾格斯抓住了滴水问题的关键。他注意到,每一个水滴脱离“瓶颈”下落时,在它的上方留下的那条细细的水线会“啵”地一下反弹回去,形成下一个水滴的“萌芽”。也就是说,水柱每断一节就会产生一颗新水滴。他将前人那个复杂的“滴水方程式”简化为弹簧反弹模式,设计出计算机程序,反复模拟水龙头滴下的水滴运动模式。

但是,他的模式所求到的解,也仅仅是个近似值。比如,水滴下落时剩余的那根水线会反弹回去,但也可能会变碎,形成一个或多个“卫星状”的小水滴散落下去。如果掌握不了它的规律,在应用这个方程式时就会产生麻烦,比如,喷墨打印机的这种“卫星状”的小墨滴会造成字迹模糊和污点,在汽车喷漆等工艺上也会造成原材料的大量浪费。水滴不断地下落,究竟哪一个水滴会产生“卫星状”的小水滴?这个古老的问题又让科学家们犯难了。

不过科学家们并没有退却,美国科学家奥斯曼·巴萨兰近年来对小水滴的研究取得了重大进展。他的研究方向是,要想对水滴的形成过程精确模拟,必须准确了解它内部水的流动方式。他以艾格斯的弹簧反弹模式为基础,但方法与艾格斯不同。他设计了一套模拟水滴形成过程的程序,将这个过程划分为细小的网状片段,计算每一个片段中水的运动速度,并确定它下一步会如何运动。随着水的形状的变化,网格也跟着重新定义。这样分析一滴水要花费两天的时间。他不间断地研究着,并随时检验和修正计算结果。

巴萨兰用自己的研究结果确认,在流速较低的情况下,容易形成“卫星状”的小水滴;在较快的流速下会是连续而稳定的“滴、滴、滴、滴”声,每个水滴都是相同的;速度再快,水滴会发出“滴嗒、滴嗒”声,每间隔一个水滴的运动模式相同;水的流速再加快,会使这种过程加倍出现四滴水反复的模式,形成“滴滴嗒嗒”的声音,每个水滴的大小不同,时间间隔也不同。此后则是每八个相同的水滴连续下落,再往后则是十六个……过了不久,每次就有了同样的无数个水滴连续下落,最后,水滴没有了间隔,形成了水线。

这个过程真是太精彩了。巴萨兰的研究结果与用快速摄影得到的水滴系列照片吻合得完美无缺。

水滴的研究结果,解决了喷墨打印机的印刷质量问题,解决了照相胶卷以及磁带的涂层厚度不匀现象,还可以用于精密的DNA切片研究上,巴萨兰兴奋地说:“正是由于水滴问题的研究,才部分促进了这项基因工程的突破。”真的令人鼓舞。

水滴似乎并不起眼,滴水过程的研究却那么费时费力,几乎花了近二百年的功夫才有了初步结果。据说,巴萨兰等科学家们还在进一步解决水滴的“滞后作用”。科学家们都有一种锲而不舍的精神,他们会成功的,正如发出“我!我!我!”声音的水滴可以穿石那样。

人们对小水滴都如此执着的研究,科学上还有什么难题不能攻克的呢!?

 

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