水虽然是最软弱的材料的一种,却能腐蚀坚硬的物质,跌落冲击造成的侵蚀还涉及到广泛的自然、环境过程。
通过高速应力显微镜的方法,它可以用前所未有的时空分辨率对液滴撞击的关键动态特性,即撞击液滴的剪切应力和压力分布。发现真相似非中心应力在冲击雨滴下的快速传播,量化了冲击基底上的剪切力(液滴对撞击表面施加的力主要随着撞击向外扩散,短时间内的扩散速度可以超过音速,在撞击表面产生冲击波。每个液滴都像一个小炸弹,以“爆炸”的方式释放其能量并侵蚀表面。)。弹性衬底在冲击作用下的变形,知道了冲击引起的表面冲击波。这也是低速液滴冲击侵蚀的起源。
滴水穿石本身是指微小的力量经长时间累积后达到不可思议的效果。抛开时间的积分作用,这小小的身躯究竟蕴含怎样大的能量!你是否也会抱有这样的疑问:为什么雨滴没有拳头那么大也没有针尖那么微小?雨滴从那么高的云层滴落为何不会砸伤人?
雨滴的下落过程不同于刚体小球下落,实际受到水、气界面的处的剪切应力和张力的影响,这会导致雨滴变形,甚至破裂。
根据流体力知识,液滴在下落过程中的稳定性受自身惯性力、表面张力和粘性力的综合影响。
由于雨滴增大,受力面积将增大,制约雨滴的变形的空气阻力亦增加,大雨滴变形导致在其未达到相应终点速度以前就已分裂,破裂的小水滴在空中遇到其他水滴时会融合在一起逐渐“长大”,当表面张力不足以抵抗空气阻力作用时就会再一次破裂,这个过程不断循环直到雨滴落地。
空气阻力对直径小于2mm的雨滴影响较小,当直径大于4mm时逐步变为馒头状并被撕碎,因此雨滴一般增长至6.5mm左右为止,再大的雨滴直径通常是不存在的。
液滴下落过程中,当高度足够大时,重力和空气阻力平衡,液滴将达到最大下落速度,也称终速。在达到终速前,雨滴的降落速度则随高度而变化。
液滴的下落速度与液滴的初始等效直径以及液滴粘性大小等参数有关,不同大小的雨滴其终点速度有所区别。
假设在静止流体中,以1.9mm直径雨滴为界限,雨滴在停滞大气中降落速度可以按照以下公式计算得出。
除液滴自身性质外,雨滴终速还受空气气流的影响。在风力影响下雨滴速度要比停滞大气中的终点速度要大,通过观测知,20km/h风速下的3.0mm直径雨滴速度为9.8m/s,比雨滴在停滞大气中的终点速度8.1m/s增加20%。
不同尺寸雨滴在达到各自的终速后,将保持相对恒定的速度降落,因此雨滴终速并非持续增加的。在700mb,10℃条件下,直径3mm雨滴要想达到终速的99%,至少需要18.1m的降落高度。因此一般水土保持研究中的模拟降雨装置高度基本都超过10m。
本章完
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