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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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[what if]第93期:风挡与雨滴  

2014-06-16 11:36:27|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:一起剥坚果

提问:

在下雨天开车开多快才会让雨滴砸碎挡风玻璃?

—— Daniel Butler

回答:

非常非常快。
wpid-13983165779-2014-06-16-11-36.gif

(等等,你就是前几期那个拿着变态测速枪的警察?饶了我吧,我还是乖乖交罚款吧)

雨滴很小,就算下的是倾盆大雨,空气中的水的重量也是小于空气本身的重量的(这也是为什么你没法在暴雨中往天上游的原因之一)。即使雨滴的下落速度非常快,仅仅凭它们那微不足道的动能也是不足以打碎挡风玻璃里的。

在正常情况下,雨滴根本不会对挡风玻璃造成损害。不过,它们确实能够打破超音速飞机的挡风玻璃。

当一颗雨滴以高速撞上玻璃表面后会产生以下这些反应:

当雨滴接触到玻璃表面后,一道冲击波会反向通过雨滴内部。

wpid-13983165958-2014-06-16-11-36.gif

(当多道冲击波相遇后会产生一系列极其复杂的反应)

正常情况下,冲击波的传播速度是声音在液体里的传播速度——约1300米/秒,是在空气中传播速度的4倍。然而当撞击速度非常高时,冲击波的传播速度要远远大于水中的声速。

雨滴就被玻璃表面和后来的雨滴前后夹击,于是会向各个方向发生喷溅。这些喷溅出来的水滴的速度可以比本来已经超音速的雨滴的速度更快,甚至还要快过我们刚才提到的冲击波的速度。

wpid-13983166297-2014-06-16-11-36.gif

一篇论文模拟了雨滴以500米/秒(1.5倍音速)撞击某一表面后的现象,结果发现从接触点飞溅出来的水滴速度超过6000米/秒——相当于18倍音速。[1]
这些冲击波产生的冲击足够震碎玻璃。冲击波产生的最大压强出现在雨滴边缘周围,但持续时间只占撞击时间的很小一部分。

wpid-13983167755-2014-06-16-11-36.gif

(有好多好多篇论文模拟过这一现象,我想可能是因为大家都想知道如何造出一辆能够安全地高速通过未知天气的汽车吧)

除了上面提到的撞击直接产生的压强以外,像四周飞溅的水滴也会造成损害。如果材料内部有微孔、裂缝或凸起,四溅的水滴撞上后会产生更多的新裂纹或使得已有的裂纹变宽。

 

就算速度再快,雨滴仅凭一己之力也没法在玻璃上钻出一个弹孔来——但一连串的超音速雨滴会像沙子一样开始不停地啃噬玻璃表面,产生新的裂纹和凹坑。[2]到最后挡风玻璃还是要乖乖举白旗投降。

不过幸运的是,把车开到1倍音速而不飞起来是不可能的,所以在平常的雨天里开车是没什么危险的。但是,如果你胆敢开车经过一个有着强烈上升气流的雷暴云团的话……

wpid-rain_hail-2014-06-16-11-36.png

……不管你开多快,降水(冰)都会狠狠地砸碎你的挡风玻璃。

  • 注1:这样一个简简单单的方法就能把一个物体加速到每秒6千米,我在想有没有人想过用这个原理造一艘宇宙飞船出来。
  • 注2:这种类型的“腐蚀”也会对蒸汽涡轮机的叶片造成损坏。
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