其實現(xiàn)代人研究這個古老問題很久了，提出過很多假說。除了最直觀的物理磨損說之外還提出過化學侵蝕說。也就是石頭中的碳酸鈣、水、空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸氫鈣。

△ 據(jù)網(wǎng)友回憶，這個反應(yīng)還出現(xiàn)在高中會考卷子上 *

總之呢，在這篇論文之前連這一現(xiàn)象主要是物理反應(yīng)還是化學反應(yīng)都有爭論。那么這一次，研究團隊是怎么終結(jié)這個話題的？

(資料圖片僅供參考)

高速應(yīng)力顯微鏡揭示“超音速沖擊波”

通常，想要研究一滴水滴的下落，主要得靠高速攝影機拍攝的影像。不過這次，明尼蘇達大學的研究人員不想只搞視覺分析，而是想在“定量”這個方向上更進一步。于是，他們整出了一套新裝置：高速應(yīng)力顯微鏡。設(shè)備長這樣：

具體而言，研究人員會讓一滴水滴從高度 h 處下落，以沖擊速度 U 撞擊 PDMS（聚二甲基硅氧烷）凝膠。在這個實驗中，PDMS 凝膠已經(jīng)被事先處理過：研究人員在其中嵌入直徑 30μm 的低濃度熒光聚苯乙烯顆粒作為示蹤劑。而在凝膠的一側(cè)，一塊薄薄的片狀激光發(fā)射器會給凝膠“打光”，激發(fā)其中的熒光示蹤劑。

這樣一來，當水滴撞擊凝膠，旁邊的高速攝像機就能以每秒 40000 幀的規(guī)格，清楚地記錄下熒光顆粒們的運動。根據(jù)這些記錄，研究人員就能以 115μm 的空間分辨率和 0.025ms 的時間分辨率，繪制出水滴下落時，壓力和剪切應(yīng)力分布隨時間變化的圖像。

接下來，就是見證結(jié)果的時刻。

研究人員發(fā)現(xiàn)，液滴擊打物體表面時的力，并不是集中在液滴中心，而是隨著液滴撞擊擴散開來的。如圖所示，第一行為鋼球下落產(chǎn)生的剪切應(yīng)力分布，第二行則為液滴撞擊的結(jié)果。相比于鋼球下落，液滴的最大剪切應(yīng)力并非在撞擊點附近，而是隨著液滴的擴散徑向傳播的。

更重要的是，液滴擴散的速度會在開始的一小段時間內(nèi)超過音速，在被撞擊的物體表面形成超音速沖擊波。

那感覺，就像是在物體表面引爆了一顆小炸彈。

△ 飛機的超音速沖擊波

是不是有些意想不到，看似無甚力量緩慢滴落的一滴水，竟能在濺射的一瞬間超越音速。但其實吧，你可能更想不到的是，這樣的情況在生活里還挺常見。你隨手一個舉動，也可能分分鐘搞出超音速現(xiàn)象。

撕個膠帶也能超音速

如果你打包過快遞包裹，一定對撕透明膠帶時富有穿透力的聲音印象深刻。

一群法國科學家研究了這個現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)原理也是超音速產(chǎn)生的音爆。具體來說，膠帶從膠帶卷上剝離不是平滑運動，而是每隔幾毫米就有停滯，再一次性滑出一大段距離，這個現(xiàn)象叫做微觀粘滑（micron-stick-slip）

這個過程中膠帶的彎曲部分會儲存彈性勢能，并在滑移的瞬間釋放。根據(jù)理論模型預(yù)測，由此產(chǎn)生的沖擊波速度可達每秒 650-900 米，超過兩倍音速。這篇論文也不簡單，發(fā)表在了物理評論快報上。

超音速沖擊波，還出現(xiàn)在開香檳的時候，軟木塞子彈出的瞬間。這是由瓶中的高壓二氧化碳氣流突然暴露在低壓環(huán)境中高速噴射產(chǎn)生的。

另一群法國科學家用高速攝像機拍攝了這個過程，并進行定量研究，論文發(fā)表在 Science 子刊 Science Advances 上。

日常生活中的超音速沖擊波還有一個來源，那就是廣場上大爺甩的鞭子。

早在 1927 年，物理學家就通過高速陰影拍攝技術(shù)發(fā)現(xiàn)了鞭子末端的抖動速度可以達到 2 馬赫，也就是兩倍音速。

但直到 2002 年，亞利桑那大學的兩位數(shù)學家才解釋清楚具體原理：沿著鞭子傳播的抖動會形成一個循環(huán)回路，這個回路不斷加速直到達到音速產(chǎn)生音爆。

有網(wǎng)友了解這個小知識后評論說：

但其實這些研究除了新奇有趣以外，還有不少應(yīng)用價值。比如研究水滴石穿的 Xiang Cheng 團隊，后續(xù)希望設(shè)計出能減少沖擊力、耐腐蝕的涂料。

Xiang Cheng 本科畢業(yè)于北京大學物理系，博士畢業(yè)于芝加哥大學物理系，現(xiàn)在在明尼蘇達大學研究研究軟材料物理學、生物物理學和流體力學。

另外，研究膠帶的法國科學家希望能研制出更光滑的無噪音膠帶，同時認為其中的微觀粘滑現(xiàn)象有助解釋地震中建筑物的斷裂。

水滴石穿論文：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29345-x

撕膠帶論文：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.068005

開香檳論文：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aav5528

鞭子論文：

http://goriely.com/wp-content/uploads/2002-PRLwhip-1.pdf

參考鏈接：

[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/948238

[2]https://physics.aps.org/articles/v12/16

[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/510158