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“行走”在水面上的水珠

“行走”在水面上的水珠

作者:杭州    来源:未知    发布时间:2019-06-18 12:54    浏览量:

如果一滴水珠掉进了湖中,它会很快地溶于水中。但是,在 一些特殊的情况下,水珠不仅不会溶于水中,甚至还会在水上到处 “游走”。
这种水珠在水上漂动的情景并不少见,但直到最近,法国巴黎 第十一和第七大学的科学家才揭示出了其中的奥秘。
科学家们说,当水珠接触到水面时,一些空气没能及时“跑 掉”,这样在水珠与水之间就会形成一个空气层。所以,此时的 水珠并没有附着在水面,而是停留在了空气上。由于水珠质量的存 在,它会轻轻地向下沉并不断压迫空气层,当水珠快要接触到水面 时,就有可能产生一种振动波,从而在附近水面产生微小的同心 波。在水面的振动作用下,水珠会在小波浪间滑来滑去,这样的运 动最终使小水珠逐渐在水上“游走”。
如果两个“游走”的小水珠相遇,可能会出现两种情况:第一 种是水珠相遇之后会各自开始新的运动方向,分道扬镳;第二种情 况是两颗水珠被各自的振动波捕捉,其中一个会围绕另一个开始转 动。这两颗水珠就像两个相遇的弹球,它们之间呈现的现象叫做限 定状态下的相互作用。
热水竟然比冷水先结冰
把一杯冷水和一杯热水同时放进冰箱,哪杯水会先结成冰块?
很明显,大多数人都会选择冷水先结冰,但事实并非如 此。1963年的一天,坦桑尼亚一名中学生的偶然发现,证实在某 些情况下,热水会比冷水先结冰。这一实验彻底打破了人们的
 
惯性思维,这种现象以这个学生的名字命名为“姆佩巴效应”
(MpemhaEffect) 0
当时,老师要求学生们自己动手做一些冰品。埃拉斯托?姆 佩巴想做冰淇淋。他担心等到自己的热牛奶变凉之后,別的同学可 能已经把冰箱占满了,于是他在热牛奶里加了糖后就直接放进了冰 箱。当他打开冰箱时,其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰,而 自己的那杯热牛奶却已经变成了冰淇淋。姆佩巴感到很奇怪,他左 思右想也找不到答案,于是就去请教奥斯博尔内博士一达累萨拉姆 大学的物理学教授。
虽然奥斯博尔内教授相信姆佩巴的描述是真实的,但这种有 悖“常理”的事情依然让他感到困惑。按照常理来讲,如果把一杯 20T和一杯50T的水同时放人冰箱,假设20^的水凝结成冰需要10 分钟,那么,50T的水必须先耗用一段时间降到20T,然后再在10 分钟之后结成冰。冷水和热水结冰的某一个阶段是重合的,所以热 水结冰应该比较慢才对。这种假设似乎没有什么不合理的地方,那 么,为什么会出现热水先结冰的状况呢?
带着疑问,奥斯博尔内教授按照姆佩巴的叙述又进行了同样的 实验,结果与姆佩巴的描述完全吻合:在低温环境中,热水比冷水 先结成了冰块。奥斯博尔内的实验迅速引起了其他科学家的关注, 这种现象逐渐被人们所熟知。
这种现象产生的原因,影响因素可能包括以下四种:
1 .对流。
在实验中,科学家们发现了热顶现象和水的对流。所谓“热 顶”,就是指水的表面比水底部热一些,这是由于在冷却过程中, 水会形成对流和不均匀的温度分布。如果温度上升,水的密度就会 下降,较热的水就会聚集在表面。如果水的失热主要在表面进行, 那么,“热顶,’的水失热会比温度均匀的快。所以当热水冷却到冷 水的初温时,它会出现热顶,因此与平均温度相同,但与温度均勾 的水相比,它的冷却速率会较快。
 
蒸发。
热水逐渐冷却的过程中,会由于蒸发而失去一部分水。水的 质想:就会减少,从而导致水较容易冷却和结冰。所以,热水就可 能较冷水早结冰,不过整体的质蛩却会较少。这个解释存在一定 的合理性,似乎能够揭开“姆佩巴效应”的奥秘,但是,当实验 在一个封闭的容器内进行时,水蒸气不可能离开,而热水依然先 结成了冰。所以很明显,蒸发的确是很重要的一个因素,但并不 是唯一的原因。
溶解。
与冷水相比,热水中的溶解气体比较少。因为在加热甚至沸 腾的过程中,大量气体都会从水中逃脱。水的性质因为溶解气体 而发生改变,或许会更容易形成对流(因而较易冷却);或许沸 点会发生改变;或许单位质量的水结冰所需的热量会减少。这种 解释得到了一些实验结果的支持,但目前还没有实际理论数据的 支撑。
周围的环境。
两杯水放在了形状一样的杯子里,有着相同的体积,除了温度 不冋,似乎一切都没有差别。其实,人们往往忽略了一点:它们周 围的环境可能因水温的差异发生了变化。例如,如果这杯水放在了 一层霜上面,霜的导热性能很差。热水可能会把这层霜熔化,为自 己创立了一个较好的冷却系统。所以,那杯热水可能就是以这种复 杂的方式,改变了它周围的环境,从而影响到冷却过程。
虽然科学界已经肯定了姆佩巴效应的存在,但并不是在任何的 初始温度、容器形状和冷却条件下,都可看到这种情况。比如一杯 99.9T:的热水和一杯0.01T:的冷水,自然是后者先结冰。
至今,姆佩巴效应仍然是个谜,以上的各种推测可能都产生了 影响,但都有破绽,仍不能完整全面地解开其中的谜团。

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