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《宇宙正傳》一十七 滴水穿石
  水雖然是最軟弱的材料的一種,卻能腐蝕堅硬的物質,跌落衝擊造成的侵蝕還涉及到廣泛的自然、環境過程。

  通過高速應力顯微鏡的方法,它可以用前所未有的時空分辨率對液滴撞擊的關鍵動態特性,即撞擊液滴的剪切應力和壓力分布。發現真相似非中心應力在衝擊雨滴下的快速傳播,量化了衝擊基底上的剪切力(液滴對撞擊表面施加的力主要隨著撞擊向外擴散,短時間內的擴散速度可以超過音速,在撞擊表面產生衝擊波。每個液滴都像一個小炸彈,以“爆炸”的方式釋放其能量並侵蝕表面。)。彈性襯底在衝擊作用下的變形,知道了衝擊引起的表面衝擊波。這也是低速液滴衝擊侵蝕的起源。

  滴水穿石本身是指微小的力量經長時間累積後達到不可思議的效果。拋開時間的積分作用,這小小的身軀究竟蘊含怎樣大的能量!你是否也會抱有這樣的疑問:為什麽雨滴沒有拳頭那麽大也沒有針尖那麽微小?雨滴從那麽高的雲層滴落為何不會砸傷人?

  雨滴的下落過程不同於剛體小球下落,實際受到水、氣界面的處的剪切應力和張力的影響,這會導致雨滴變形,甚至破裂。

  根據流體力知識,液滴在下落過程中的穩定性受自身慣性力、表面張力和粘性力的綜合影響。

  由於雨滴增大,受力面積將增大,製約雨滴的變形的空氣阻力亦增加,大雨滴變形導致在其未達到相應終點速度以前就已分裂,破裂的小水滴在空中遇到其他水滴時會融合在一起逐漸“長大”,當表面張力不足以抵抗空氣阻力作用時就會再一次破裂,這個過程不斷循環直到雨滴落地。

  空氣阻力對直徑小於2mm的雨滴影響較小,當直徑大於4mm時逐步變為饅頭狀並被撕碎,因此雨滴一般增長至6.5mm左右為止,再大的雨滴直徑通常是不存在的。

  液滴下落過程中,當高度足夠大時,重力和空氣阻力平衡,液滴將達到最大下落速度,也稱終速。在達到終速前,雨滴的降落速度則隨高度而變化。

  液滴的下落速度與液滴的初始等效直徑以及液滴粘性大小等參數有關,不同大小的雨滴其終點速度有所區別。

  假設在靜止流體中,以1.9mm直徑雨滴為界限,雨滴在停滯大氣中降落速度可以按照以下公式計算得出。

  除液滴自身性質外,雨滴終速還受空氣氣流的影響。在風力影響下雨滴速度要比停滯大氣中的終點速度要大,通過觀測知,20km/h風速下的3.0mm直徑雨滴速度為9.8m/s,比雨滴在停滯大氣中的終點速度8.1m/s增加20%。

  不同尺寸雨滴在達到各自的終速後,將保持相對恆定的速度降落,因此雨滴終速並非持續增加的。在700mb,10℃條件下,直徑3mm雨滴要想達到終速的99%,至少需要18.1m的降落高度。因此一般水土保持研究中的模擬降雨裝置高度基本都超過10m。
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