在水滴的本质背后，科学家发现了一个出乎意料的公式

照片:peter bocklandt/iStock

科学家发现了一个控制物理学中一个看似未知的极限的公式:水滴在爆炸前能承受多大的电场。然而，这个公式出奇地简单。

几十年来，物理学家们一直在研究这种无穷小的现象，但尽管总体理论概念相对简单，却完全不可能理解这种带电爆炸。因此，研究人员表示，现在发现的配方将在各个领域带来新的进展，如空间推进、质谱、高分辨率印刷、空气净化和分子分析。

由于更强的电场，水滴的顶部爆裂了。资料来源:麻省理工学院

麻省理工学院机械工程和物理学研究生贾斯汀·伯奥兹说:“在这个公式可用之前，工程师和科学家必须进行仔细的模拟计算，以评估带电液滴的稳定性。但是使用我们的方程，我们可以直接取出纸和笔，立即得到结果。”

研究小组在论文中描述的现象实际上一直在现实世界中发生，但是人们几乎看不到它。

当雨滴从天空落下时，在风暴云产生的电场的影响下，结合在球体中的水分子的表面张力将失去对水分子的控制，并且电场将随着水滴表面电荷的不断积累而将水滴向外拉。

近年来，许多微流体研究人员利用这种效应来操纵和移动具有电场的液滴，但是仍然没有简单有效的方法来计算液滴的稳定性极限，即液滴在电应力作用下保持完整或破裂的理论阈值。

不同电场强度对水滴形状的影响。照片:麻省理工学院

因此，当电场足够强时，液滴在某个时刻无法保持平衡，开始变得不稳定并爆发。

看来现在我们终于明白了。

在实验过程中，伯罗斯和他的团队使用高速相机拍摄放置在带电金属板上的水滴。他们聚焦于电场迫使液滴爆炸之前的瞬间，并观察到液滴在那一瞬间的临界稳定形状。

研究人员发现，这种稳定性极限受到幂律的限制，幂律可以解释水滴在物体表面(无论是静止的还是滑动的)或在空气中*漂浮时的破裂阈值。

研究人员说，他们发现幂律公式的自变量主要是液滴的体积和半径，而以前的理论方法是用液滴的高度(和半径)来计算稳定极限。

“在过去的100年里，传统的方法是用高度来计算，”伯奥兹说，“但是当一个液滴变形时，它的高度也会改变，所以这个问题的数学复杂性受到液滴高度维度的限制。另一方面，无论液滴在电场中如何变形，其体积都将保持不变。”

对于这个新方程，研究小组表示，只要知道5个必要的参数，即液滴表面张力、电场强度、空气介电常数、体积和半径的4个参数，就可以通过计算得到第5个参数的值，从而进一步计算出液滴的稳定极限。

这是一场旷日持久的战争的结果，将彻底改变一些科学领域的理论认识，从而在静电纺丝、静电过滤和破乳(破乳)等工业过程中取得新的进展。

伯奥兹说:“考虑到这个问题的数学复杂性，这项研究的结果出奇地简单。”

蝌蚪工作人员从sciencealert编译，翻译狗Gege，转载必须授权。