艾萨克·牛顿水的动能转化为发电机转子的动能进

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艾萨克·牛顿水的动能转化为发电机转子的动能进

2019-04-10 21:47栏目:创业

  对于很多人来说,下雨是一件很烦人的事。雨天只能躲在家里,望着水滴四处飞溅。但水滴落在地上只能飞溅吗?能不能用来做点有意思的事?近日,中国科学院化学研究所宋延林课题组与清华大学冯西桥、李群仰等研究人员合作,发现下落的水滴撞击到特殊平面后,能够以超过每分钟7300转的速度高速旋转,在空中跳起了“水滴芭蕾舞”。相关研究成果发表在《自然通讯》杂志上,并分别被《自然》和《科学》杂志选为研究亮点进行报道。

  早在三百多年前,英国科学家艾萨克牛顿坐在苹果树下思考,被落下的苹果砸中了脑袋,这使他灵光一闪,悟出了万有引力定律这个世界上最伟大的法则之一。

  虽然这个故事的真实性有待考证,但我们可以很确切地知道,落在牛顿头上的苹果要么静止在头上,要么会从头上滚落或弹走。这些碰撞行为,牛顿也对其进行了总结,并提出了著名的“牛顿碰撞定律”。

  牛顿碰撞定律认为,两个相互碰撞的物体,碰撞后的脱离速度与碰撞前的靠近速度之比称为恢复系数。对于完全弹性碰撞来说,恢复系数为1,但这种情况只会出现在理想情况中;对于完全非弹性碰撞来说,恢复系数为0。实际的碰撞过程,恢复系数大部分介于0和1之间。

  在该定律的指导下,人们对固体之间的碰撞规律有了更深入的认识。一般来说,碰撞前后改变的是物体的速度大小和方向,很难改变物体的运动形态。

  液滴撞击固体表面是生活中的常见现象,比如下雨、喷洒农药等等。通常认为,水滴碰撞到固体表面后的行为也符合“牛顿碰撞定律”,即水滴要么沉积在表面,要么从表面线性回弹。

  而这次,研究人员利用图案化的特殊功能表面对液滴碰撞行为进行精确调控,首次实现了液滴碰撞后的高速旋转运动,水滴的运动形态由碰撞之前的平动变为了碰撞之后的转动,突破了经典“牛顿碰撞定律”的研究范畴,开辟了液滴撞击研究的新视野。

  水滴落到固体表面后的动态行为一般在几毫秒到十几毫秒的时间内完成。水滴撞击表面后的结果(水滴弹回或飞溅)取决于固体表面的结构和化学性质。但是,由于水滴具有可变形性,且撞击水滴与固体发生相互作用的速度极快,操控这种行为十分困难。

  该研究采用的图案化表面,不同区域对液体具有差异化的粘附力。当液滴撞击到表面后首先铺展成为圆形液膜。在不对称粘附力的作用下,液膜发生各向异性回缩行为。非向心的粘附力形成力矩,且作用效果随着液膜的回缩逐渐累积,最终形成角动量。该过程中,液滴由碰撞前的平动变为了碰撞后的转动,转变为全新的运动形态。

  研究人员借助同步高速成像系统,对这一行为进行了详细的记录与分析。研究表明,表面粘附力图案的对称性对液滴碰撞行为起着关键作用。通过改变图案的旋转对称性/镜面对称性,可以使液滴碰撞后产生旋转、翻滚、竖直回弹等多种行为。“我们系统研究了液滴碰撞及回弹过程,通过调节基底浸润性图案的旋转对称性或镜面对称性,提出了液滴碰撞控制的普适性规律,实现了多种复杂液滴回弹行为控制。”宋延林说道。

  液滴碰撞后产生高速旋转,实现液体平动能向转动能的转化。这与水力发电过程中,水的动能转化为发电机转子的动能进而产生电能类似,液滴碰撞过程中液滴的转动能也能够被收集与利用。

  基于此原理,研究人员研制了利用单个液滴进行物体驱动的新型液滴驱动器,将图案化浸润性的基底漂浮在磁悬浮系统中,水滴落在表面后产生旋转运动。当4.8毫克的液滴碰撞到94毫克的基底后,能驱动基底以超过50每秒的角速度转动。该研究在水力能量收集与利用、水上漂浮物驱动、高效降温等方面具有广泛的应用前景。

  宋延林表示,这项研究为液体动能的利用(如水利发电)开拓了新的思路和方向。比如说,可以在合适的地方安装这种微型水能发电装置,而不必局限于大江大河上的水力发电站。当雨滴落在上面时,就能够带动下面的转子转动,将动能转换为电能,供人们利用。

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