雨後的蜘蛛網，會留下多少水滴？
蜘蛛網由十分纖細的蛛絲編織而成，但在雨後，它們卻能留住一串串水滴，在細絲上掛起珠鏈。雨後的蜘蛛網能留住多少水？雨滴遇到蛛絲般纖細的絲狀物時，等待它的將是怎樣的命運？
蜘蛛網上能留下多少水滴？圖片來自：shutterstock
在今年4月的《流體物理》（Physics of Fluids）期刊上[1]，來自韓國的研究者們對這個問題給出了新的答案：在不同條件下，落在細絲上的水滴會出現三種結局。通過一系列定量實驗，他們最終建立起一個物理模型，這個模型可以預測液滴與細絲將會如何相互作用。
水滴的三種命運
水滴遇到細絲，它到底是去是留？為了弄清這一點，研究者們在實驗室里搭建起了一套觀察水滴的實驗裝置。這套裝置包括一個可以不斷生產固定直徑水滴的滴管，以及一個放置滴管的調節架，它的高度可以在0.5~60厘米之間調節，通過高度調節，也就控制了水滴的下落速度。接下來，水滴會在滴管正下方遇到不同粗細的銅絲。當水滴從高處落下擊中銅絲，整個過程將被高速攝影機完整地記錄下來以便進行形態分析。並且，銅絲下方的電子天平可以準確記錄下水滴殘存在銅絲上的重量，以提供定量的數據進行分析。
在試驗了不同的水滴速度以及銅絲半徑之後，研究者們發現，水滴遇到細絲的表現並非一成不變。在不同的條件下，這些水滴會出現三種不同的結局：
第一種情況，銅絲會「抓住水滴」。在這種情況中，水滴會沿著銅絲向下拉伸，彷彿要掙脫銅絲的牽絆，但最終沒能成功，輕微向上回彈並逐漸靜止，變成懸掛在銅絲上的一滴小水珠。
圖片來自原論文
第二種情況下，銅絲會「抓住又放手」。水滴衝擊銅絲的瞬間，會被銅絲分成明顯的兩個較小的水滴。但兩個水滴的上部仍被銅絲「抓住」，彷彿銅絲不願意鬆手。隨後，兩個小水滴移動到銅絲正下方，並重新融合在一起成為一個新的水滴。最終，新水脫離銅絲滴落下來。
圖片來自原論文
第三種情況，銅絲「劈裂水滴」。在這種情況中，水滴直接被銅絲劈裂成兩個較小且獨立的水滴。與前面的情況不同，這兩個水滴不再融合，也不會被銅絲「挽留」，而是果斷地「分道揚鑣」，分別朝兩個方向滴落。
圖片來自原論文
誰決定了水滴去留？
哪些因素決定了水滴的去留呢？經過大量實驗，研究者們發現對於尺寸固定的水滴來說，最終出現哪種情況，主要取決於水滴下落的速度和銅絲的粗細。
當這些水滴撞擊銅絲的速度超過2米/秒時，由於速度較快，水滴接觸銅絲後將被劈裂成兩個獨立的水滴，即上述的第三種方式；而當水滴的速度較小時，水滴或者掛在銅絲上，或者保持相對完整地滴落，即第一和第二兩種方式。而究竟採用這兩種方式中的哪一種，又取決於銅絲的粗細——越粗越有利於銅絲「抓住」水滴。
當然，脫離細絲的水滴其實依然會在銅絲上留下一層水膜。水分殘留的多少主要取決於銅絲的粗細，而水滴下落的速度其實對此影響很小。
當然，液滴與細絲材料的「相合」程度也是重要的影響因素。通過噴塗處理，研究者們分別製備了「親水銅絲」和「疏水銅絲」進行試驗。結果發現，「親水銅絲」與不加處理的銅絲模型表現比較相似，而「疏水銅絲」的行為變化比較明顯——與水親和力低的它們更難「抓住」水滴，而且更傾向於將水滴劈成兩半。
此外，他們還分析了液滴與銅絲之間的相互作用力。認為重力和慣性力使液滴下落，而表面張力使液滴抗拒下落。因此，纖維能否抓住液滴，是重力、慣性力，以及表面張力之間的搏弈。液滴本身的性能，比如：密度、速度、粘度、尺寸，以及液滴與纖維的半徑比，也都將影響液滴下落的運動模式。
這是嚴肅的工程問題
從蜘蛛網上的雨水產生靈感，研究水滴落到細絲上的物理過程，這聽起來是個文藝小清新的故事，不過這其實也是個嚴肅的工程學問題，在實際生活中也有不少應用。
例如，在智利中北部沙漠南緣有個海邊小漁村，環境極度缺水但霧氣很重。因此，那裡的人們仿照蜘蛛網收集小水珠的方式，採用篩網狀的不鏽鋼網布，從潮濕的霧氣中收集水分。霧氣中的水分在不鏽鋼纖維上冷凝，形成越長越大的小水珠，然後滴落並被收集使用。研究水滴與纖維狀物體的相互作用，就可以幫助人們更好地從霧氣中「捕獲」淡水資源。當人們想要在網狀結構上噴塗液體塗料時，這些研究成果也能幫得上忙。
由於在實際應用中，大多數纖維會交織在一起，呈現更為複雜的編織狀或篩網狀，而不僅僅是單獨的一根。因此，研究人員未來還將研究當纖維複雜排列時，液滴撞擊後將呈現的運動模式，以便更有針對性地指導實際應用。
（編輯：窗敲雨）
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