水气球撞上钉板，会发生什么？

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本文作者:漫科普
3 k& @  B) l" }9 b7 i; C                    把装满水的气球扔到整齐排列着钉子的木板上会发生什么？气球破掉、水花四溅？这可不一定。事实上，在合适的条件下，水气球可以从钉板上完好无损地蹦起来：
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水气球撞上钉板，会发生什么？

弹起来了！原视频来自：Roskilde Universitet, Naturvidenskab
7 W# H2 Q' H& ?/ W3 W. M9 F在实验室里，罗斯基勒大学（Roskilde University）的物理学家蒂娜·赫克歇尔（Tina Hecksher）和她的学生们用高速摄影机记录下了这番景象。不仅如此，他们还将玩耍水球的心得写成论文，并发表到了《欧洲物理期刊》（European Journal of Physics）上。这是怎么回事？
“薄饼弹跳”其实，这是在重现一种独特的流体力学现象，它被称为“薄饼弹跳”（pancake bounce）。这种现象最初是在超疏水表面上观察到的。
# T+ _3 U% W2 b9 E0 q8 H说到疏水材料，许多人会首先想到荷叶。荷叶表面覆盖着蜡质，同时又有很多刷子状的微观凸起结构，因此它与水很不亲和。科学家们制作人工的超疏水材料也是采取了这样的思路，超疏水材料对水滴是如此“拒绝”，水滴落在上面是不但不会润湿表面，还会在表面上弹跳，就像是蹦床上的运动员一样。
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水气球撞上钉板，会发生什么？

弹起水滴的超疏水表面。原视频来自：UniversityRochester
如果仔细观察这些弹跳的小水滴，一般会看到它们在撞上疏水表面之后先是被“压扁”，然后再逐渐回缩，恢复原来的形状，再从表面上弹起来。但是，在特定情况下，小水滴却会以截然不同的状态蹦起来——它们在腾空时依然保持着被“压扁”的样子，这就是“薄饼弹跳”（pancake bounce）了。
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水气球撞上钉板，会发生什么？

就像这样，看到飞起的“水滴饼”了吗？原视频来自：Roskilde Universitet, Naturvidenskab
: e/ ?, z3 [* Z! \9 u6 B在排列着整齐凸起的超疏水表面上就能观察到水滴的“薄饼弹跳”，但遗憾的是，由于突起阵列间的间距只有0.2毫米，它们只能在显微镜下进行观察，也不方便物理学家进行深入研究。
用钉板做一张“大荷叶”于是，赫克歇尔博士在指导学生观察这个有趣的现象时，提出了一个大胆的假设：我们能不能把尺度放大，把这种现象带进宏观世界呢？这样一来，观察和测量就会变得很方便了。但是，这能做到吗？
; i" a3 D; ~% E' [6 A9 j, R  g& O$ m答案是：真的能。
6 @: W9 Q% R2 P4 G# b他们将256个钉子布置在平板上，做成一个大的钉子板阵列。钉子彼此之间距离约为1.85厘米，以模拟亚毫米级疏水材料表面密集的刷毛状突起。如此以来，他们制作出一个相当于“放大了100倍的荷叶表面”。随后，为了增大宏观下“大水滴”的表面张力，他们选用装满水的气球来代替水滴。同时，采用一个数码相机以每秒300帧的频率记录冲击发生时的慢动作，并在平板下放置压电传感器来记录冲击力。
# V, j1 X) p# _实验中，他们让装满水的气球以不同速度落在钉板表面，并观察气球的变形情况。结果，当气球下落的速度超过一定临界值之后，可爱的“薄饼弹跳”出现了。对比显示，在放大了一百倍的钉板上，水球的表现和疏水表面上的水滴非常相似。
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水气球撞上钉板，会发生什么？

对比一下落在平板和钉板上的水球， 右边弹起时保持着“饼状”。原视频来自：Roskilde Universitet, Naturvidenskab
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水气球撞上钉板，会发生什么？

再来看看分解动作。
  U2 B6 i+ C+ ^5 C4 P% m( g: Z) i进一步的研究显示，下落的水球之所以会出现“薄饼弹跳”，是因为钉板具有空隙（超疏水表面的凸起也是如此）。当水球撞击钉板时，它会部分陷入钉子阵列中，并在气球膜的作用下受到回缩的弹力（对于水滴而言，则是表面张力）。随后，气球迅速被反弹回去，整个水球就像是受到弹簧的弹力一样，“圆饼”形状还没来得及恢复就整个腾空而起了。
* d$ I" y! `. s简单又有趣经过如此简单而巧妙的实验设计，这种独特的液滴弹跳现象被放大到了肉眼可见的程度，小水滴在疏水材料表面弹跳的奥秘也随之真相大白。液滴在弹跳时容易发生破裂，而水球则更容易保持完整，测量起来也很方便。因此，研究者们希望利用这个放大版的模型来进行更多研究。
* W- |9 j3 u. @此外，这个实验简便又直观，也很适合走进课堂，用来给学生做演示。你也一样可以自己动手，制作在钉板上蹦跳的水球。
2 J6 t. x9 {1 E' Y2 b( @不过要注意：这个实验并非总能成功。研究者表示，超过1.5米的下落就会让水球破裂，钉子太少或是气球膜不均匀时，气球也可能会破掉。小心不要弄得一身水哦。

水气球撞上钉板，会发生什么？

研究者也有失手的时候……原视频来自：Roskilde Universitet, Naturvidenskab
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4 \/ j7 _7 s7 L$ k3 L% j参考资料：

Jonas Andersen Bro et al, The macroscopic pancake bounce, European Journal of Physics (2017).  DOI: 10.1088/1361-6404/38/1/015006        Yahua Liu, Lisa Moevius,   Xinpeng Xu, et al. Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces. Nature Physics 10, 515–519 (2014) doi:10.1038/nphys2980