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當(dāng)雨滴穿過(guò)雷雨云時(shí)，它會(huì)受到強(qiáng)電場(chǎng)的作用，就像風(fēng)中的肥皂泡一樣，對(duì)水滴進(jìn)行拉扯。如果電場(chǎng)足夠強(qiáng)，就會(huì)導(dǎo)致液滴破裂，形成細(xì)小的帶電霧。20世紀(jì)初，科學(xué)家們開(kāi)始關(guān)注水滴在電場(chǎng)中的行為，當(dāng)時(shí)人們擔(dān)心雷擊會(huì)破壞新建的輸電線。但很快意識(shí)到，電力線自身的電場(chǎng)導(dǎo)致周圍雨滴爆裂，為閃電提供了傳導(dǎo)路徑。這一發(fā)現(xiàn)促使工程師們?cè)陔娋€周圍設(shè)計(jì)更厚的覆蓋物，以限制雷擊。 今天科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到，電場(chǎng)越強(qiáng)，其中的液滴破裂的可能性就越大。但是，計(jì)算一個(gè)特定液滴爆炸的確切場(chǎng)強(qiáng)一直是一項(xiàng)復(fù)雜數(shù)學(xué)任務(wù)?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)中液滴破裂的條件可以歸結(jié)為一個(gè)簡(jiǎn)單的公式，這個(gè)公式是該團(tuán)隊(duì)首次推導(dǎo)出來(lái)。有了這個(gè)簡(jiǎn)單的新方程，研究人員就可以預(yù)測(cè)出一個(gè)電場(chǎng)的確切強(qiáng)度，該強(qiáng)度是使液滴破裂還是保持穩(wěn)定。這個(gè)公式適用于之前分別分析過(guò)的三種情況： 固定在表面上的液滴、在表面上滑動(dòng)的液滴或在空氣中自由漂浮的液滴。其研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，這可能有助于工程師調(diào)整電場(chǎng)或液滴的大小，以適應(yīng)一系列依賴液滴帶電的應(yīng)用。這些技術(shù)包括空氣或水的凈化、空間推進(jìn)和分子分析。該研究的第一作者、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程和物理系的研究生Justin Beroz說(shuō)：在得出這個(gè)結(jié)果之前，工程師和科學(xué)家必須進(jìn)行計(jì)算密集型的模擬，以評(píng)估帶電液滴的穩(wěn)定性。 有了這個(gè)方程式，人們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的紙筆計(jì)算，立即預(yù)測(cè)這種行為。這對(duì)從事或試圖設(shè)計(jì)任何涉及液體和電力系統(tǒng)的工程師來(lái)說(shuō)，都是非常實(shí)用的好處。貝羅茲的合著者是機(jī)械工程副教授a·約翰·哈特(A. John Hart)和數(shù)學(xué)教授約翰·布什(John Bush)。由于表面張力，水滴往往會(huì)形成完美小球體，這種內(nèi)聚力使水滴表面的水分子結(jié)合在一起，并將分子向內(nèi)拉。在其他力的作用下，如電場(chǎng)的力，液滴會(huì)因其球形而變形。表面張力的作用是將液滴凝聚在一起。 而電場(chǎng)的作用則是相反的力，當(dāng)液滴表面積聚電荷時(shí)，電場(chǎng)就會(huì)將液滴向外拉。在某一時(shí)刻，如果電場(chǎng)足夠強(qiáng)，液滴就找不到平衡電磁力的形狀，在那一刻，液滴就會(huì)變得不穩(wěn)定并爆炸。研究團(tuán)隊(duì)感興趣的是液滴爆炸前那一刻，即液滴被扭曲成極其穩(wěn)定的形狀。研究小組進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他們將水滴緩慢地滴到一塊金屬板上，金屬板被通電產(chǎn)生電場(chǎng)，然后用一臺(tái)高速攝像機(jī)記錄下每一滴水滴扭曲的形狀。這個(gè)實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始很無(wú)聊，看著水滴慢慢地改變形狀，然后突然它就爆炸了。 對(duì)不同大小的液滴在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，在每個(gè)液滴爆發(fā)前將視頻幀分離出來(lái)，然后勾勒出其臨界穩(wěn)定的形狀，并計(jì)算出液滴的體積、高度和半徑等幾個(gè)參數(shù)。把每個(gè)水滴的數(shù)據(jù)繪制出來(lái)，驚奇地發(fā)現(xiàn)，它們都沿著一條明確無(wú)誤的直線下落。從理論的角度來(lái)看，考慮到問(wèn)題的數(shù)學(xué)復(fù)雜性，這是一個(gè)出乎意料的簡(jiǎn)單結(jié)果，這表明，可能存在一種被忽視但卻簡(jiǎn)單的方法來(lái)計(jì)算液滴爆炸準(zhǔn)則。物理學(xué)家早就知道電場(chǎng)中的液滴可以用一組耦合非線性微分方程來(lái)表示。 然而，這些方程很難解。要找到一個(gè)解決方案，需要同時(shí)確定電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)、液滴的形狀和液滴內(nèi)部壓力。這是物理學(xué)中常見(jiàn)的情況：很容易寫出控制方程，但實(shí)際上很難解出來(lái)。但對(duì)于液滴，如果你從一開(kāi)始就選擇一組特定的物理參數(shù)來(lái)定義問(wèn)題，解決方案可以用幾行代碼推導(dǎo)出來(lái)，否則是不可能的。過(guò)去嘗試解這些方程，物理學(xué)家們是通過(guò)把液滴的高度等參數(shù)考慮進(jìn)去。而液滴高度是表征液滴形狀的一個(gè)簡(jiǎn)單而自然的選擇，但是貝洛茲做了一個(gè)不同的選擇。 根據(jù)液滴的體積而不是高度重新構(gòu)造了方程。這是將問(wèn)題重新表述為易于解決的公式關(guān)鍵見(jiàn)解。在過(guò)去100年里，人們習(xí)慣是選擇身高，但當(dāng)液滴變形時(shí)，它的高度會(huì)發(fā)生變化，因此這個(gè)問(wèn)題的數(shù)學(xué)復(fù)雜性與高度有關(guān)。另一方面，無(wú)論液滴在電場(chǎng)中如何變形，體積都是固定的。通過(guò)只使用與液滴體積相同的“固定”參數(shù)來(lái)構(gòu)造方程，方程中復(fù)雜的、不可解的部分相互抵消，只留下一個(gè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配的簡(jiǎn)單方程。具體來(lái)說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)推導(dǎo)出的新公式涉及五個(gè)參數(shù)： 液滴的表面張力、半徑、體積、電場(chǎng)強(qiáng)度和液滴周圍空氣的電介電常數(shù)。把這四個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)代入公式，就能計(jì)算出第五個(gè)參數(shù)。工程師們可以利用這一公式來(lái)開(kāi)發(fā)電噴霧等技術(shù)，電噴霧技術(shù)是指將維持在帶電噴管口的液滴爆破，從而產(chǎn)生一種精細(xì)的噴霧。電噴霧通常用于將溶液中的生物分子氣溶膠化，使其通過(guò)光譜儀進(jìn)行詳細(xì)分析。這項(xiàng)技術(shù)也被用于在太空中制造推力和推進(jìn)衛(wèi)星。如果你要設(shè)計(jì)一個(gè)包含液體和電力的系統(tǒng)，有這樣一個(gè)方程是非常實(shí)用，每天都可以使用它。
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來(lái)自： 博科園 > 《物理學(xué)類》
