當雨滴落入水坑或池塘時，若其動能充足，就會引發類似冠狀的飛濺現象，產生大量快速飛散的次級液滴，并將水面上的微粒一并拋向空中。一直以來，科學家都認為深入研究這一現象對于醫療、農業和工業等多個領域都意義重大。

盡管飛濺現象無處不在，但其動態過程卻極其復雜且轉瞬即逝，使得相關物理機制長期以來成謎。現在，在一項新的研究中，一個研究團隊利用高速成像技術首次完整記錄了液滴濺入深水池時的全過程，并詳細揭示了在水面之上和水面之下的動態變化。

利用超高速攝像技術，新研究逐毫秒捕捉了液滴撞擊深水池時液體演變的全程細節。（圖/Dandekar et al. / MIT News）

之上與之下

當液滴撞擊水池時，其沖擊不僅沖破水面，還會將空氣拖入池底，形成一個短暫的空腔。幾乎就在同一時刻，一層液體迅速從水面升起，形成一個類似“王冠”的結構。實際上，在早期的研究中，科學家就已捕捉到液滴飛濺的瞬間影像，例如依靠開創性的高速攝影技術拍攝到的“牛奶滴冠”照片。

著名的“牛奶滴冠”圖片，于1957年1月10日由Harold Eugene所拍攝。（圖/Harold Eugene via MIT Museum）

近年來，一些研究在模擬水池中液滴飛濺時水下空腔的演變方面取得了進展，并將其主要應用于能量收集領域。然而，對于液滴撞擊后水面上形成冠狀結構如何受到水下空腔影響，依然知之甚少。研究人員認為，水面上下所發生的現象描述之間的脫節，限制了對液滴如何將化學物質、顆粒和微生物噴射到空氣中的準確預測。

超高速成像下的飛濺細節

在新的實驗中，研究團隊設計了一套專門的實驗裝置，將水滴釋放入深度至少為20厘米的水池中，確保飛濺過程不受池底干擾。實驗中，他們調控了液滴的尺寸（平均直徑約5毫米）和投放高度，使液滴以不同速度（平均約5米/秒）撞擊水面。這種設置與暴雨時發生在水坑或池塘中的情景極為相似。

接著，團隊以每秒12,500幀的超高速率記錄了整個飛濺過程，并通過專門的圖像處理方法提取出關鍵數據——包括水下空腔的寬度與深度變化，以及上升的冠狀結構的直徑與高度演變。尤其難以捕捉的是冠狀結構的壁厚、輪廓及內部流動特征，也就是從水池中升起的液柱在形成邊緣和尖點前的細微變化。

研究人員認為，圓柱形的液壁及其在時間和空間中的演變，是一切的核心。GIF已被修改為每秒5幀。（圖/Dandekar et al. / MIT News）

研究人員指出，這一圓柱形的液壁及其在時間和空間中的演變是整個飛濺過程的核心——它不僅連接了池中液體與即將形成邊緣的液體，還為噴射出更小的次級液滴提供了條件。

最終，他們將影像數據整理為一組“演化方程”，構建了一個閉合式的數學模型。該模型將液滴撞擊時產生的空腔寬度、冠壁厚度與速度分布等特性，與液滴的初始尺寸及撞擊速度聯系起來，描述了這些特性隨時間的變化，從而預測液滴撞擊水池時形態的變化與合并過程。

意義與展望

這項研究不僅深化了我們對飛濺現象動態細節的理解，還首次揭示了次級液滴與水下和水面現象之間的耦合機制，為進一步探討液滴對環境中顆粒傳遞和分布的影響奠定了堅實基礎。

未來，研究團隊計劃將這一新模型應用于次級液滴行為的深入研究，探討飛濺液滴如何攜帶并噴射顆粒，從而闡明飛濺過程在將病原體和殺蟲劑等微粒散布至環境中的作用，為在三維空間中研究液滴飛濺問題開辟全新可能性。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2025/high-speed-videos-show-what-happens-when-droplet-splashes-pool-0221

https://doi.org/10.1017/jfm.2024.1105

#圖片來源：

封面圖&首圖：roegger / Pixabay