浮在水面上的水珠

生活科學趣談

當雨滴落在水窪時,有時可以觀察到水面上會產生一顆漂浮著的小水珠(下列影片最後面)

第一則的MIT影片則是使用低溫的鮮奶油落在高溫的咖啡中,其中所涉及的關鍵機制是”馬倫哥尼效應“,這是液體因為表面張力梯度所造成的傳質現象。在下方的示意圖中,鮮奶油液滴的底部因接觸熱咖啡而被加熱,因為高溫會造成表面張力下降,因此液滴下方的表面就會被液滴上方較大的表面張力沿著表面往上拉,進而帶動液體內液體的流動,這種現象稱為熱毛細流動(Thermocapillary flows);同理,下方的咖啡因為被鮮奶油液滴冷卻,也會造成這種液體的流動現象。因為接觸面附近的鮮奶油液滴表層與咖啡表面的液體流動方向相反,這種相對速度將不利於彼此的聚結融合。另外,由於液體表面所牽動的空氣(圖中轉折的黑線)是湧向液滴底部,這個氣膜就能支撐液滴漂浮在水面上,從而延長水珠停留的時間。
詳細的數學機制請參考 :Thermal delay of drop coalescenceMIT Open Access Articles accessed on Fri, Jan 05, 2018

一個不需要高速攝影機就能觀察到這種現象的替代方案是「利用湯匙撥水來產生液滴與水面的相對速度」+「利用清潔劑來產生表面張力差異」,只要先在湯匙柄上滴幾滴洗碗精,然後快速撥動水面,即可產生漂浮的小水珠

影片中碗底呈現中心暗而外圈亮的是小水珠的影像,因為水珠的焦距很短,依圓珠的造鏡者公式可算出焦點位於水珠下方0.2R處(R=水珠半徑),因此入射於水珠的光線聚焦後散開成較大半徑的光圈,造成中央黑影外圍區域因亮度的疊加而變亮;實驗結束後所呈現中心亮而外圈暗的則是氣泡↓

更簡單的方法是利用水珠汽化所產生的氣膜來分隔, 這個機制則是”萊頓弗羅斯特效應

這也是廚師用來測試熱鍋溫度的簡易方式