当雨滴落入水坑或池塘时，若其动能充足，就会引发类似冠状的飞溅现象，产生大量快速飞散的次级液滴，并将水面上的微粒一并抛向空中。一直以来，科学家都认为深入研究这一现象对于医疗、农业和工业等多个领域都意义重大。
尽管飞溅现象无处不在，但其动态过程却极其复杂且转瞬即逝，使得相关物理机制长期以来成谜。现在，在一项新的研究中，一个研究团队利用高速成像技术首次完整记录了液滴溅入深水池时的全过程，并详细揭示了在水面之上和水面之下的动态变化。
利用超高速摄像技术，新研究逐毫秒捕捉了液滴撞击深水池时液体演变的全程细节。（图/Dandekar et al. / MIT News）
之上与之下
当液滴撞击水池时，其冲击不仅冲破水面，还会将空气拖入池底，形成一个短暂的空腔。几乎就在同一时刻，一层液体迅速从水面升起，形成一个类似“王冠”的结构。实际上，在早期的研究中，科学家就已捕捉到液滴飞溅的瞬间影像，例如依靠开创性的高速摄影技术拍摄到的“牛奶滴冠”照片。
著名的“牛奶滴冠”图片，于1957年1月10日由Harold Eugene所拍摄。（图/Harold Eugene via MIT Museum）
近年来，一些研究在模拟水池中液滴飞溅时水下空腔的演变方面取得了进展，并将其主要应用于能量收集领域。然而，对于液滴撞击后水面上形成冠状结构如何受到水下空腔影响，依然知之甚少。研究人员认为，水面上下所发生的现象描述之间的脱节，限制了对液滴如何将化学物质、颗粒和微生物喷射到空气中的准确预测。
超高速成像下的飞溅细节
在新的实验中，研究团队设计了一套专门的实验装置，将水滴释放入深度至少为20厘米的水池中，确保飞溅过程不受池底干扰。实验中，他们调控了液滴的尺寸（平均直径约5毫米）和投放高度，使液滴以不同速度（平均约5米/秒）撞击水面。这种设置与暴雨时发生在水坑或池塘中的情景极为相似。
接着，团队以每秒12,500帧的超高速率记录了整个飞溅过程，并通过专门的图像处理方法提取出关键数据——包括水下空腔的宽度与深度变化，以及上升的冠状结构的直径与高度演变。尤其难以捕捉的是冠状结构的壁厚、轮廓及内部流动特征，也就是从水池中升起的液柱在形成边缘和尖点前的细微变化。
研究人员认为，圆柱形的液壁及其在时间和空间中的演变，是一切的核心。GIF已被修改为每秒5帧。（图/Dandekar et al. / MIT News）
研究人员指出，这一圆柱形的液壁及其在时间和空间中的演变是整个飞溅过程的核心——它不仅连接了池中液体与即将形成边缘的液体，还为喷射出更小的次级液滴提供了条件。
最终，他们将影像数据整理为一组“演化方程”，构建了一个闭合式的数学模型。该模型将液滴撞击时产生的空腔宽度、冠壁厚度与速度分布等特性，与液滴的初始尺寸及撞击速度联系起来，描述了这些特性随时间的变化，从而预测液滴撞击水池时形态的变化与合并过程。
意义与展望
这项研究不仅深化了我们对飞溅现象动态细节的理解，还首次揭示了次级液滴与水下和水面现象之间的耦合机制，为进一步探讨液滴对环境中颗粒传递和分布的影响奠定了坚实基础。
未来，研究团队计划将这一新模型应用于次级液滴行为的深入研究，探讨飞溅液滴如何携带并喷射颗粒，从而阐明飞溅过程在将病原体和杀虫剂等微粒散布至环境中的作用，为在三维空间中研究液滴飞溅问题开辟全新可能性。
#参考来源：
https://news.mit.edu/2025/high-speed-videos-show-what-happens-when-droplet-splashes-pool-0221
https://doi.org/10.1017/jfm.2024.1105
#图片来源：
封面图&首图：roegger / Pixabay
