把「水寶寶」扔到熱鍋裡,你會聽到它的尖叫!

2021-02-19 中科院物理所

在足夠熱的熱鍋上滴上幾滴水,你會看到它們被燙得四處跑(誤):

這個就是萊頓弗羅斯特效應了,界面上快速形成的蒸汽層託起了小水滴。今天就不再細說了。

這個簡單有趣的實驗很受歡迎,有很多網絡視頻都是關於它的。不過,視頻博主們也不滿足於在熱鍋上滴水,他們還會在鍋裡扔進另外一種東西,就是下面這個↓

眼熟嗎?你可以叫它水寶寶,或者水晶花泥,總之就是那種能吸水膨脹很多倍的凝膠小球了。

如果把這些吸滿水的凝膠小球扔進灼熱的鍋子,那現象就更熱鬧了:它們不僅會被燙得跳起來,還會燙得吱吱叫!(聽起來太慘了餵……)

點開視頻聽一下吧:

萊頓大學的研究者Scott Waitukaitis在網上看到了水寶寶被熱鍋處刑的視頻,他對此也很感興趣:這過程到底是怎麼發生的?水滴在熱鍋上很安靜,那小球為什麼會吱吱叫呢?

為了搞清這個問題,他和同事們決定親自搞個研究。他們架起215℃的熱鍋和高速攝影機,詳細記錄了這種現象的全過程。上面的視頻就是他們拍攝的。不僅拍了視頻,他們還為熱鍋上的水寶寶發了一篇論文!而且發在《自然·物理》上……

那麼這中間到底發生了什麼?凝膠球彈跳的動力其實與水滴很類似:遇到灼熱表面之後,水迅速氣化,提供了向上託的動力。畢竟這種超能吸水的凝膠球中,有99%以上都是水。研究者們也將這種現象稱為「彈性萊頓弗羅斯特效應」。不過,凝膠球畢竟不是液體,而是表現為有彈性的固體,因此它們和水滴的運動效果相當不同。

通過高速攝影,研究者發現:當凝膠球與熱鍋接觸之後,在水蒸氣的推動下,界面上會首先出現一條很窄的縫隙。和水滴的情況不同,凝膠球和熱鍋之間的縫隙會十分快速地反覆開閉,頻率達到每秒2000~3000次。而這個快速的振動,也是我們所聽到的聲音的來源。

凝膠球和熱鍋接觸面上的快速振動,5000幀每秒的高速攝影:

與25℃常溫的情況對比一下:

在常溫的鍋裡就只是很普通地彈起來,而且這種彈跳很快就無法持續了。

在這個過程中,彈性能量也會在凝膠球中積累,最終推動它彈跳起來。這種彈跳大體會穩定在4釐米左右的高度,振動和彈跳的過程通常可以持續2~3分鐘。在那之後,凝膠小球不再能維持彈跳,因為它們往往會開裂壞掉:

(兩個被玩壞的凝膠球……)

到這裡,科學家們的好奇心得到了滿足,而他們也設想起了這東西的應用:現在時興柔性機器人,很多柔軟的部件都是用水凝膠材料做的,那我們能不能也用類似的方法來驅動它們?

所以將來,或許人們還會聽到柔性機器人在熱鍋上的悲鳴吧……= =

PS:本實驗完全可以在家嘗試,只要避免燙傷就好,盡情欣賞小球的哀嚎吧……

另外注意不要讓很小的孩子接觸到水寶寶,尤其是沒有泡發的那種,誤吸可能會堵住氣管。

信源:http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys4194.html

(水寶寶表示心很累,想靜一靜……)

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