看，这雨滴在跳舞

春眠不觉晓，处处闻啼鸟。

夜来风雨声，花落知多少。

                              ——《春晓》，孟浩然

 

花落知多少（图片来源于网络）

自古以来，下雨都是一件再平常不过的事。农民在春雨过后，忙着种瓜种豆；而诗人们则借下雨抒发各种情感，寄托喜怒哀乐。但是，下雨为什么能使“花落”？这期间到底发生了什么？

这一看似简单的过程，蕴含着很复杂的科学原理。要搞清楚水滴与花瓣的之间的故事，就要从水滴落到花瓣上的动态行为说起。

水滴回弹不回弹，花瓣说了算

水滴落到固体表面（例如花瓣）上的过程在一瞬间完成（十几毫秒），仅凭肉眼观测或普通相机录像，是远远不够的。高速摄像机能够实现每秒几万张照片的拍摄，使人们能够清晰的观察水滴落在花瓣上的行为。

由于表面张力的作用，下落的雨滴往往呈球形。水滴落在花瓣表面后，在惯性的作用下铺展成一个圆形水膜。随后，水膜可能回缩并回弹脱离花瓣表面（例如旱金莲），也可能直接粘附在花瓣表面（比如牵牛花），这完全取决于花瓣表面的粘附力。这两种行为的演示过程见图1。

诗人孟浩然之所以能看到雨后花落的景象，可能是由于花瓣比较小，雨滴碰到花瓣表面后铺展过程中，花瓣无法承受雨滴之重，被拍打下来的。这种景象常见于桃花、杏花等花瓣较小的情况。当然，落花也有可能是被风吹的。

 

图1 水滴在高粘附表面和低粘附表面的碰撞行为

除了弹飞或粘附，水滴还能跳芭蕾

芭蕾舞是一项风靡世界的艺术形式，能带给观众美的享受与极大的乐趣。中国科学院化学研究所宋延林团队发现，液滴碰撞到固体表面后，除了能被弹飞和粘附在表面后，还能跳芭蕾。这一颠覆人们感观的行为是如何实现的呢？

由上面的描述可知，水滴落在固体表面后，回弹与否是由固体表面的粘附力控制的。通过在低粘附表面设计高粘附图案，使水滴碰撞到表面后受到不对称的粘附力，从而在不同区域产生差异化的回缩行为。随着回缩的进行，粘附力的作用效果逐渐累积，最终使水滴旋转。水滴跳芭蕾时能够以每分钟超过7300转的速度转动，远远超过普通的芭蕾舞演员。

 

图2 跳芭蕾的液滴

牛顿爵士在18世纪对两物体的碰撞过程进行研究时提出了著名的牛顿碰撞定律（Newton’s Law of Impact）：两物体碰撞后的脱离速度与其靠近速度的比值称为回弹系数。一般来说，当球体碰撞撞击到固体表面，碰撞后球体只会发生运动速度大小和方向的变化。

水滴跳芭蕾的过程中，实际上产生了旋转运动，即水滴在碰撞前后发生了运动形式的转变（由平动变为转动）。这一过程被纽约时报（New York Times）称为“Defy Physics”。同时，液滴下落前的重力势能变成为了转动能。

这不仅扩展了固液碰撞的相关理论，也为水滴能量的开发与利用提供了新的可能。

 

液滴芭蕾“致敬”牛顿。（来源：纽约时报）

来源：中国科学院化学研究所

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