關(guān)于萊氏星星的特性的研究

陶廣益

摘 要：我們知道波動(dòng)的產(chǎn)生首先需要一個(gè)處于平衡狀態(tài)的介質(zhì)，還需要有破壞介質(zhì)平衡的擾動(dòng)力和使介質(zhì)恢復(fù)平衡的回復(fù)力，根據(jù)回復(fù)力的不同性質(zhì)，對(duì)波浪的分類也很重要.回復(fù)力最重要的一種是重力，特別是對(duì)水自由表面的波浪，這種波浪成為表面重力波，第二種回復(fù)力是表面張力，這是由于水的表面具有表面張力的特性，水面一旦受到擾動(dòng)，重力和表面張力力圖使水面恢復(fù)到原來的平衡態(tài)，并形成波浪傳播出去。

關(guān)鍵詞：萊氏效應(yīng)；星形振動(dòng)；機(jī)理分析

所謂的萊氏星星即在萊頓佛羅斯特效應(yīng)下，一定量的水會(huì)呈星形狀態(tài)并快速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)星型狀態(tài)隨著水體積的變化而呈現(xiàn)出2～13的角的狀態(tài)，這種狀態(tài)穩(wěn)定的時(shí)間不長，隨著水的不斷蒸發(fā)，水滴的振動(dòng)狀態(tài)也隨之變化。

1 萊氏效應(yīng)及星形振動(dòng)機(jī)理概述

在萊頓佛羅斯特效應(yīng)中，有這樣的描述，當(dāng)接觸面溫度高于萊氏點(diǎn)的時(shí)候，水滴不會(huì)浸潤接觸面，而是在其上懸浮一段時(shí)間，實(shí)際上，就是因?yàn)樗蜗卤砻媸軣嵫杆贇饣纬闪艘粋€(gè)蒸氣墊，托住了上面的液體。

我們知道波動(dòng)的產(chǎn)生首先需要一個(gè)處于平衡狀態(tài)的介質(zhì)，還需要有破壞介質(zhì)平衡的擾動(dòng)力和使介質(zhì)恢復(fù)平衡的回復(fù)力，根據(jù)回復(fù)力的不同性質(zhì)，對(duì)波浪的分類也很重要.回復(fù)力最重要的一種是重力，特別是對(duì)水自由表面的波浪，這種波浪成為表面重力波，第二種回復(fù)力是表面張力，這是由于水的表面具有表面張力的特性，水面一旦受到擾動(dòng)，重力和表面張力力圖使水面恢復(fù)到原來的平衡態(tài)，并形成波浪傳播出去。

2 實(shí)驗(yàn)探究

萊氏星星是基于萊氏效應(yīng)的一個(gè)奇特的現(xiàn)象，為了研究這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，以及影響因素，我采購了鐵鍋、鋁鍋、不銹鋼鍋、卡式爐、膠頭滴管、燒杯等器材。

在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，我分別采用了我所選購的三種鍋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同情況下，鋁鍋和不銹鋼鍋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不很明顯，而鐵鍋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象則比較好。在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，我發(fā)現(xiàn)萊氏星星的角數(shù)可能與水滴的體積還有鍋的溫度有關(guān)，于是我設(shè)計(jì)了如下的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：

通過實(shí)驗(yàn)一，我發(fā)現(xiàn)在接觸面溫度在400℃左右時(shí)，滴入1ml水，它在一段時(shí)間后會(huì)形成3個(gè)角的振動(dòng)，隨著水分的蒸發(fā)，水滴發(fā)展成兩個(gè)角的振動(dòng)，最后變成一個(gè)圓形液滴不再振動(dòng)；接觸面溫度在400℃左右時(shí)，滴入2ml水，它在一段時(shí)間后會(huì)形成3個(gè)角的振動(dòng)，隨著水分的蒸發(fā)，水滴發(fā)展成兩個(gè)角的振動(dòng)，最后變成一個(gè)圓形液滴不再振動(dòng)；接觸面溫度在400℃左右時(shí)，滴入3ml水，它在一段時(shí)間后發(fā)展成4個(gè)角的振動(dòng)，繼而變成4方形的振動(dòng)，接著發(fā)展成3個(gè)角的振動(dòng)，然后發(fā)展成2個(gè)角的振動(dòng)，最后變成一個(gè)圓形液滴不再振動(dòng)。結(jié)合這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們又繼續(xù)進(jìn)行了后續(xù)的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，我們不斷增加接觸面上的水滴體積，我們發(fā)現(xiàn)隨著水滴的體積越大，呈現(xiàn)出的最大的振動(dòng)角數(shù)越多，在我們的實(shí)驗(yàn)中最多觀察到了13個(gè)角的振動(dòng)模式。

通過實(shí)驗(yàn)二，我發(fā)現(xiàn)1ml的水滴在200℃、300℃、400℃的接觸面上，最多均呈三個(gè)角的振動(dòng)，這說明水滴的振動(dòng)模式與接觸面的溫度基本沒有關(guān)系。

3 原理分析

水波的自由表面是一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的水面，它是由流體流體質(zhì)點(diǎn)組成的流體面。運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件表面：組成自由水面運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而不可能脫離或者說穿透自由水面。因此邊界條件只是邊界面為流面而不是固體壁面，流面的特點(diǎn)是它可以容易地變形。

來自水滴中心的一定波長的毛細(xì)波運(yùn)動(dòng)到水滴邊緣時(shí)，水滴在徑向上的長度會(huì)隨之變化。這一定波長的毛細(xì)波來源于氣體水平離開水滴中心的運(yùn)動(dòng)。由于存在諸如溫度不一等因素，氣體離開液滴的水平速率不完全相同，因而引起波的相位不一致。

處于平衡狀態(tài)的流體，自由表面是平的，當(dāng)它的某個(gè)部分收到某種干擾時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)將離開其平衡位置，并沿垂直于表面的方向運(yùn)動(dòng)，在重力和表面張力等回復(fù)力的作用下將促進(jìn)其返回平衡位置，然后質(zhì)點(diǎn)在慣性作用下繼續(xù)向另一側(cè)運(yùn)動(dòng)，從而形成液體質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)和因振動(dòng)傳播而產(chǎn)生的自由表面波。

當(dāng)液體表面被表面張力作用時(shí)，波長一定的毛細(xì)波是極不穩(wěn)定的。表面張力的大小不易被測(cè)量，我們可以測(cè)量摩擦物體的速度來測(cè)量它（u′=τ/ρv，其中τ是表面張力大小。在氣液表面最大的表面張力為τ=6ηvu[]e，將其帶入，可估算出u′≈1.8m/s。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)接觸面的溫度達(dá)到萊氏點(diǎn)及以上時(shí)，水滴滴可以懸浮在接觸面上，并可以呈2-13個(gè)角的星型振動(dòng)。

（2）振動(dòng)的模式與接觸面的溫度無關(guān)（溫度高于萊氏點(diǎn)），僅與水滴的體積有關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]董曽南.非粘性流體力學(xué).清華大學(xué)出版社，2003：385-395.

[2]A.-L.Biance，C.Clant，and D.Quere，Phys.Fluids 15，1632（2003）.