如题所述
雨滴应该是因为形成的时候即是滴状;水柱在下落时最终都会变成水滴状。水是连续的,重力加速度可以使下落的水柱拉伸成上粗下细的锥形柱体,但不会使之断裂,真正的原因是因为Plateau–Rayleigh instabilityhttp://en.wikipedia.org/wiki/Plateau%E2%80%93Rayleigh_instabilityPlateau–Rayleigh instability是描述水柱流动过程中的扰动现象,Plateau首先对其进行测量(1873),接着Rayleigh(1878)提出数学模型进行解释。微小扰动的成因是因为从微观上来看,水的局部表面张力并不是平衡的(应该是由于分子热运动),而是动态变化的,可以用一个正弦波来描述这个扰动,波动使水柱某些部分半径增大,某些部分半径减小(见下图),半径变化的函数表达式为本来半径变大,会使表面张力带来的压强减小,但是波动又会带来压强的增大,比较波峰波谷两处压强的变化,扰动较小时,即波峰处压强较大,波谷处压强较小,可以恢复平衡(想象此处压力较大,把波峰压平);当扰动较大时,波谷处压强较大,会掐断水柱,形成水滴。而随着时间增长,扰动波会越来越强烈(perturbations growth),当达到一个临界半径(critical length)时就会断裂形成水滴。这是在无重力的情况下推导的,而重力的作用正如前面所讲,会把水柱拉细,即半径减小,从而更容易掐断。所以重力是促因,但是真正断裂的原因是因为Plateau–Rayleigh instability此外,这个断裂的过程也可以用表面能解释,即小水滴的表面积之和小于水柱的表面积时,就会断裂成小水滴。
分析雨滴的受力在探究雨滴的形状中非常重要。雨滴在下落的过程中,主要受到三个力的作用,即表面张力、重力和空气阻力。表面张力让水滴像个球。同时在两个水滴相遇时,会发生粘附,并在表面张力的作用下形成一个新的更大的近似球体的水滴。其次是重力。重力会不会让水滴拉伸变形?会,但并不是因为自由落体定律。只有当物体下落存在先后次序时,自由落体定律造成的撕裂才有用武之地,但是整个雨滴是同时开始下落的,因此其加速过程也是同步的,并不会导致水滴的上下部分因为速度不同而分离。那么重力如何发挥作用?通过静压力。我们可以通过水滴内外的应力平衡来分析水滴的形状,在水滴内部,由于重力的存在产生了静压力,外部则有表面张力和空气阻力,内外压力如何平衡让我们找到了一窥雨滴形状的门户。模拟的结果显示,雨滴的真实形状接近椭球体。
众所周知,水汽围绕凝结核发生凝结和凝华,是成云致雨的基础,我们管这种凝结或凝华的产物叫云滴。我们通常所见到的云,实际上都是由千千万万的云滴组成的。从这个角度来说,天上的云和地上的雾并没有太大的差别,实际上飞近了看也是如此。云滴并不都是小水滴,一片云中的云滴,可能是水滴,可能是冰晶,也可能是过冷却水滴(也就是温度低于0℃的水滴,别问我它为什么不结冰,结冰可不是温度一个条件说了算的),也可能拥有其中的两到三种。云滴受到上升气流的托举浮在空中,就好比一个人往空中的羽毛吹气,就能让羽毛一直浮在空中一样。但是云滴不像羽毛,它的质量并不是一成不变的,而是会不断地增长。
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