我们能控制水滴怎么飞

文章作者:管理一号 | 2019-03-06
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关于很多人来说,下雨是一件很烦人的事。雨天只能躲在家里,望着水滴四处飞溅。但水滴落在地上只能飞溅吗?能不能用来做点有意思的事?

图片来历:视觉我国

近来,我国科学院化学研讨所宋延林课题组与清华大学冯西桥、李群仰等协作,发现下落的水滴碰击到特别平面后,可以发作高速旋转,每分钟转速超越7300 rpm,并在空中跳起了“水滴芭蕾舞”。这项研讨经过奇妙的规划完结了对液滴磕碰行为的准确控制,而且初次完结了物体磕碰前后运动方式的改动,在水能搜集、自清洁和防冰冻方面或具有使用价值。

水滴与平面磕碰后出现的一系列演化形状 (图片来历:宋延林课题组)

该研讨于2019年3月5日宣布在《Nature Communications》上(DOI: 10.1038/s41467-019-08919-2),并被《Nature》杂志选作研讨亮点,以“Putting a spin on droplets”为题进行了报导。

物体之间的磕碰,牛顿是这样说的

两个物体的磕碰是常见进程。早在三百多年前,巨大的科学家艾萨克·牛顿就对该进程做了很多试验研讨,并总结出了闻名的牛顿磕碰规律:

两个彼此磕碰的物体,磕碰后的脱离速度与磕碰前的接近速度之比称为恢复系数。关于完全弹性磕碰来说,恢复系数为1,但这种状况只会出现在抱负状况中;关于完全非弹性磕碰来说,恢复系数为0。实在的磕碰进程,恢复系数大部分介于0和1之间。一般来说,磕碰前后改动的是物体的速度巨细和方向,很难改动物体的运动形状。

牛顿与磕碰规律 图片来历:百度

而在本工作中,水滴的运动形状初次由磕碰之前的平动变为了磕碰之后的滚动,该现象与经典的“牛顿磕碰规律”有显着不同。

咱们能控制水滴怎样飞

水滴落到固体外表后的动态行为一般在几毫秒到十几毫秒的时间内完结。水滴碰击外表后的成果(水滴弹回或飞溅)取决于固体外表的结构和化学性质。可是,因为水滴具有可变形性,且碰击水滴与固体发作彼此作用的速度极快,控制这种行为存在必定难度。

研讨人员凭借同步高速成像体系,对这一行为进行了具体的记载与剖析。他们发现,经过在疏水低粘附的基底外表构筑高粘附图画,对水滴的磕碰进程进行诱导,使液滴可以以超越7300转每分的速度高速旋转。液滴在粘附力的作用下构成四角的裂分结构,在空中跳起了“芭蕾”。

结合理论剖析与数值模仿,他们提醒了该进程背面的科学原理。液滴磕碰到外表后,首要铺展构成圆形液膜,然后液膜在外表张力的作用下开端回缩。此刻,因为基底外表不同区域具有差异化的粘附力,因而液滴各部分的回缩速度不同,并在液滴内部构成力矩。力矩的作用作用跟着液膜的回缩逐步累积,在液膜回缩完结后构成角动量,赋予液滴旋转的才能。

图片来历:宋延林课题组

未来,发电形式或许改动!

液滴磕碰后发作高速旋转,完结液体平动能向滚动能的转化。这与水力发电进程中,水的动能转化为发电机转子的动能进而发作电能相似,液滴磕碰进程中液滴的滚动能也可以被搜集与使用。

图片来历:视觉我国

基于此原理,研讨人员研发了使用单个液滴进行物体驱动的新式液滴驱动器,将图画化浸润性的基底漂浮在磁悬浮体系中,水滴落在外表后发作旋转运动。在此进程中,基底在液滴驱动下能朝着特定方向旋转。

这项研讨为液体动能的使用(如水利发电)开辟了新的思路和方向。比如说,可以在适宜的当地设备这种微型水能发电设备,而不用局限于大江大河上的水力发电站。当雨滴落在上面时,就可以带动下面的转子滚动,将动能转换为电能,供人们使用。

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