水滴石穿：揭开水滴的神秘力量

来源：原理

水的侵蚀力似乎是一个悖论。它可以从你的指间轻轻滑过，也能成为地球上最具破坏力的液体，一滴指尖大小的水滴，能轻柔地被你的舌尖抓住，但也有雕刻石头的能力。

在东西方文化中，都有类似“水滴石穿”（Dripping water hollows out stone， not through force but through persistence。）的说法。它们都教导我们要坚持不懈，当你一直坚持下去，即使最微小的力量，也能创造巨大的影响。

但从力学的角度来说，这背后究竟是什么原因，让这种流动而柔软、看似无害的物质具有如此大的侵蚀力？

液滴对颗粒状的沙质表面（左）与坚硬的石膏（右）表面的影响。| 图片来源：Cheng Research Group， University of Minnesota

在一项最新研究中，科学家揭示了那种让液滴能够侵蚀坚硬表面的隐藏力量。借助一种新开发的高速应力显微技术，研究人员现在有能力测量液滴对表面的冲击所产生的剪切应力和压强等隐藏量，为研究液体侵蚀现象提供了一种更定量的方法。研究已于近日发表在《自然·通讯》上。

高速应力显微技术  

对液滴的研究并不新鲜，研究人员长期以来一直对它们非常着迷，从雨滴落地的方式，到气溶胶中的病原体传播都有研究。但先前，大多数研究都仅仅局限于视觉分析，比如用高速摄像机捕捉水滴下落和撞击表面的过程。但这显然会漏掉很多必要的细节。

在研究中，科学家团队开发了一种新的技术，被称为高速应力显微技术，它可以通过直接测量液滴撞击表面时下方的力、应力和压强，更直观地揭开这一过程的细节。

图（a）展示了高速应力显微原理。一个水滴从高度h的地方落下，以冲击速度U撞击到埋有颗粒的PDMS（聚二甲基硅氧烷）凝胶的表面。下方的插图展示了这个表面的照片。图（b）展示了高速应力显微（左）和有限元模拟（右）对钢球撞击引起的剪应力（上）和压强（下）的比较结果。| 图片来源：Sun， T。 et al。 （2022）

研究人员发现，液滴施加的力实际上会随着撞击的液滴扩散，而不是集中在液滴的中心，而且液滴扩散的速度在一段很短的时间里可以超过音速，从而在物体表面上产生冲击波。

简单来说，每一个液滴的行为就像一颗微型炸弹，爆炸性地释放出它的冲击能量，并施加必要的力，从而侵蚀表面。

研究液滴冲击的新途径  

有了这种新发展的技术手段，团队已经开始着手研究不同的质地和材料如何改变液滴冲击所产生的力。

在揭开水滴神秘力量的面纱之后，研究人员相信新的见解可以帮助设计出更多的抗侵蚀表面。

人们通常会在建筑物上涂一层保护漆，或者给一些暴露在户外的仪器表面增加涂层，来保护这些表面，但随着时间的推移，雨滴仍然会带来不可避免的损害。有了这些新结果，就有机会更有针对性地设计出一些特殊的表面，比如采用某种方法降低水滴的剪应力。