“滴答滴答滴答滴…”,恼人的水滴声曾让你睡不着吗?

水滴落到装满水的浴缸或水槽时发出的声音,想必大家再熟悉不过了。然而,水滴可并非因为撞击而发出“滴答”声……


在人们面临的一系列生活烦恼中,滴水声可以说是位列第一。

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若是有声音让你抓狂,那无疑就是它了。英国剑桥大学研究员阿努拉格·阿加瓦尔(Anurag Agarwal)就有这样的经历。某天他在朋友家中借宿,不巧屋顶漏水,水滴落入水桶时的声音陪伴了他一整夜,令他无法入睡。

可能有些人会移开水桶或戴上耳塞以求安宁。而那些爱在家修修弄弄的人,也会立马去修理屋顶。不过,阿努拉格·阿加瓦尔却是另类。作为一名优秀的研究人员,他在失眠时竟然想着要确定滴水声的物理源头,从而做到不爬屋顶就能切断声源!

是的,他找到了……

水桶中上演的大片

首先,这个问题可并不愚蠢,当中的确有一个谜团:为什么水滴落入水中时的声音如此响亮,而滴落到地面时却发出沉闷的声音,人几乎听不到?

经过初步研究,阿加瓦尔与另两位科学家塞缪尔·菲利普斯(Samuel Philips)以及彼得·乔丹(Peter Jordan)都意识到,其实前人在很久之前就已关注这一问题了!

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他们还找到了1908年的研究成果。而此后的一个多世纪内,水滴的相关研究仍不断涌现。但是大多数人更关注水滴的形成、下落速度以及入水后使水面变形的方式,而对于滴水声的源头,至今还没有令人满意的研究结果,更不用说如何消除这种声音了。

幸运的是,2018年,研究人员有了更精良的装备来解答这一问题:一部每秒能拍摄75000张图像的超高速相机(一部高性能的智能手机每秒仅能记录不到1000张照片),以及一个高灵敏度的音频设备。

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阿加瓦尔和他的团队将这一套高科技设备固定在一个再简单不过的实验装置——装满水的水槽——周围,水槽上方还有一支滴水管。随后,他们进行了观察和记录。一切变得一目了然了!

是气泡而非水滴的声音

请看相机拍摄图像。

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当水滴到达水槽的水面时,冲击使得一个空腔(图2)出现。

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麦克风此时没有记录到任何声音。

换言之,滴水声并非源自水滴和水槽中水的碰撞!碰撞是在无声中进行。继续观察。空腔不断向下凹陷(图3和4),

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随后回弹(图5和6)。

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为什么呢?

因为水的表面有点像弹片,它会暂时变形,但最终会恢复初始状态。只不过在空腔逐渐消失的时候(图7),

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一个小气泡被滞留在了底部(图8),

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并最终脱离空腔(图9)。

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一旦脱离,气泡就会振动(图10、11和12),其形状在几微秒内不断变化。

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而振动在水中扩散,使最靠近气泡的水面,也就是正在回弹的空腔底部也开始振动。

水面就像扬声器的音膜,将自身振动传递给周围空气。于是,振动的空气产生了声音。

没错!就是在这一刻,麦克风记录下了声音(图9和10)!

研究人员由此得出结论:水龙头烦人的滴水声并不是水滴造成,而是气泡在作祟……

洗洁精是救星

这一结论令人惊讶吧。那么,关键问题在于,该如何消除滴水声呢(除了防水补漏的措施)?研究人员找到了解决方案:在水槽中加入洗洁精即可。

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借助超高速相机,他们观察到,在加入洗洁精后,空腔回弹时就不会留下小气泡。

为什么呢?

这个问题解释起来有些复杂,简单来说是因为洗洁精的加入降低了水面的弹性,使得空腔回弹时没有形成图8所示、能造成空气滞留的狭窄部分。

阿努拉格·阿加瓦尔和他的团队也坦承,这项研究最初是为了满足他们的好奇心,其次才是解答一个从未弄明白的谜团。也许关于这一问题的解答还能有其他方面的应用,比如更准确地测量海上降水量。

研究人员可以使用漂浮于海面或是置于海中的麦克风或水听器,来记录雨滴落下的声音。此外,还能将水滴的大小与滴水声的频率相关联,通过测量声音的强度,推断出水滴的大小和数量,从而估算降水量。

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还有一个应用:通过计算机在电子游戏中还原滴水声。

毫无疑问,这纯粹是为了不让你在玩游戏时睡着罢了。

撰文 Fabrice Nicot

编译 周玉府

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