沃辛頓射流

生活科學趣談

當液滴掉落而撞擊下方液體表面時,它會產生漂浮、反彈、聚合、飛濺等現象。

一、漂浮:

當雨滴落在水窪時,有時也能觀察到水面上會產生一顆漂浮著的小水珠。上方這則MIT影片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。

二、反彈:

液滴反彈可發生在擾動的液面上、超疏水的液滴掉落在光滑液面上、水滴掉落在疏水表面上

三、液滴和液面聚合:

如果液滴能夠破壞其與液面隔開的氣體薄膜,它就可以與液面結合

四、飛濺:

具有更大能量(更高的韋伯數)下落衝擊時會產生飛濺。在飛濺狀態下,液滴會先在流體表面產生一個隕石坑,然後在隕石坑周圍形成一個皇冠。隨後,坍塌液滴的動能會導致液體向上擠壓形成垂直液柱如果衝擊能量夠高,射流上升到它夾斷的點,就能將一個或多個液滴向上送出表面。這種從液滴落在流體表面形成的隕石坑中心突出的中央射流,稱為沃辛頓射流(Worthington Jet)

跳臺跳水則是儘量減少沃辛頓射流所造成的水花:

影片4分17秒,相對於將手以楔形方式直接插水,這種翻轉手掌而以掌心壓水的動作可減少濺起的水花。因為以掌心壓水時,水受力方向是垂直向下,因此水只能向水平方向逃逸;但是尖頭的楔形與水接觸時,水的逃逸方向卻是選擇壓力最小的方向,也就是沿著斜面向上,因此就會形成較大的上濺水花。

下則影片是左方的親水塗層(hydrophilic coating)與右方的疏水塗層(hydrophobic coating)的對照,右方疏水塗層的小球在入水後能產生較大的空腔

同場加映:消除便便水花

延伸閱讀:Beating Worthington jet by surfactantsGeneration and Breakup of Worthington Jets After Cavity Collapse