雨滴声为什么会这么响
科学家们把研究的目光投向人们最熟悉的雨声,探索产生雨声的背后究竟是怎样的物理机制,研究雨滴声为什么会这么响。
科学家们用高速摄影机拍摄雨滴落入水中的情形,通过置放在水底的声纳收集雨声,并构建了数学模型来帮助分析。结果,这个看着像发了疯的研究,出人意料地揭示了雨声背后不为人知的另一面,让人脑洞大开。
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原来雨滴声是由两部分组成的,一部分是雨滴掉在水面上的声音,这个不用脑子也能想得到。但出人意料的是,这部分的声音其实并不大,雨声最主要的声音是来源于雨滴落入水面后产生的气泡。
有跳水经历的人都知道,人跳入水中后身体周边会产生无数大大小小的气泡。雨滴也一样,落在水面后会在水下产生很多气泡。这些气泡中的气压比较低,而周边水的压力大,所以气泡一产生,就会被四周的水压缩变小。
而当气泡被压缩后,气泡内的气压又会变得高于四周的水压,于是气泡又反弹膨胀。当膨胀后气压小于水压时,又开始被压缩。如此循环往复,好纠结的泡泡啊!
由于这一过程都是在瞬间完成的,反复变大变小的气泡看起来就像发生了振动一样,而且振动频率正好是在人耳能听到的范围。于是,就像振动的鼓面、琴弦、人的声带一样,水中的气泡也开始“路见不平一声吼”。
并且,这个气泡还是个大嗓门,振动产生的声音分贝比雨滴掉落在水面的分贝要大好几倍。所以,雨滴声才会这么响。
科学是不是很神奇?许多人们想当然的事情,也许只是表象。而背后还隐藏着许多秘密等待人们探寻。
在降雨过程中,大雨滴的速度比小雨滴的速度要快,因此可以赶上小雨滴并“吞并”它们,增大体积。当水滴不断增大,在空气中下降时就不再保持球形。开始下降时,雨滴底部平整,上部因表面张力而保持原来的球形。当水滴继续增大,在空气中下降时,除受表面张力外,还要受到周围的空气作用在水滴上的压力以及因重力引起的水滴内部的静压力差,二者均随水滴的增长及下降而不断增大。在三种力的作用下,水滴变形越来越剧烈,底部向内凹陷,形成一个空腔。空腔越变越大,越变越深,上部越变越薄,最后破碎成许多大小不同的水滴。破裂的水滴又会被其它的大雨滴吞并形成新的大水滴。此外,雨滴所带有的正负电荷也是雨滴之间冲撞结合的原因之一。
水滴在下降过程中保持不破碎的最大尺度称为临界尺度,常用等体积球体的半径来表示,称为临界半径或破碎半径。在不同的气流条件下,临界半径是不同的。如在均匀气流条件下,临界半径为450至500μm,而在有扰动的瞬时气流条件下,临界半径约为300μm。。在自然界中观测到的临界半径为300至350μm,是因为大气具有湍流的缘故。