关于水滴的一些探讨2012-06-27 18:18:49| 分类：科学探索 | 标签：豆芽兵原创生活 |字号订阅本篇文章涉及的知识点比较多，全是探讨性的，我做的不是原创性的工作，是大家都能搜索到的，我只是把整理在一起。

但谁说知识系统的整理就不是创造性的工作呢?可能有人觉得我探索这些问题有什么用呢，是不是太闲了。

我的观点1：做这件事时，是一个探索的过程，让我学习到，物理数学等各方面知识。

对我养成科学素养有很大帮助2：对我制作CG特效有很大帮助，让我制作时不盲目。

下面每一节都有一个相关小猜想。

3：对本质的探索，是我让我活下去的动力。

不然我就不知道我为什么活着了4：附加作用是，能让看博客的你，感觉世界上竟然有我这样的人。

（）由此看出做这些看似无聊的事，其实很有意义的。

至少比睡懒觉，发呆，跟人吵架生气有意义的多。

一切是由下面这张图引起的：艺术性的描述：柔和的光线里，她从空中落下，玲珑的身体落在平平的水面上，水面轻轻下陷，伴随着一圈圈向外而去轻微的波纹，她被弹回空中，如是者三；突然她融入水中，水面上出现了几圈大些的波纹，一个小一些但玲珑依旧的她又弹回空中，开始了另一个轮回……再来一段标准性的描述：水滴和水面相撞时首先会激起一圈环形的结构，把水向周围排开。

环形结构里的水流回中间的时候，又会把一些水激起，形成一个水柱。

然后，类似地，水柱里的水向下回流，同时水柱迅速变瘦，在水柱的顶端偏下的位置形成一个断点，就这样，一个小水滴形成了。

在这整个过程中飞溅的浪花和断开的水柱会形成很多小水滴，其中有一部分竖直方向运动速度较小，就会形成前面提到的漂浮在水面上的小水滴。

这是我准备写的博文，思维导图。

（如果有人对思维导图有兴趣，欢迎交流）一共有五个问题：一、水滴时下落为什么呈球形？二、水滴落入水是地，具体怎样融入水中的？三、水滴下落后，为何再弹起一滴？四、水滴碰撞，为什么产生水花？五、水面一圈圈波纹怎么回事？名词解释：水：水（化学式：H2O）是由氢、氧两种元素组成的无机物，在常温常压下为无色无味的透明液体。

水是地球上最常见的物质之一，是包括人类在内所有生命生存的重要资源，也是生物体最重要的组成部分。

水在生命演化中起到了重要的作用。

流体：流体就是在承受剪应力时将会发生连续变形的物体。

气体和液体都是流体。

流体没有一定形状，几乎可以任意改变形态，或者分裂。

表面张力：表面张力是一种物理效应，它使得液体的表面总是试图获得最小的、光滑的面积，就好像它是一层弹性的薄膜一样。

其原因是液体的表面总是试图达到能量最低的状态。

水滴：水滴，是小量的水体，能以任何形态出现。

表面张力成因：用分子力解释：液体的内聚力是形成表面张力的原因。

在液体内部，每个分子都在每个方向都受到邻近分子的吸引力（也包括排斥力），因此，液体内部分子受到的分子力合力为零。

然而，在液体与气体的分界面上的液体分子在各个方向受到的引力是不均衡的（见图解）造成表面层中的分子受到指向液体内部的吸引力，并且有一些分子被“拉”到液体内部。

因此，液体会有缩小液面面积的趋势，在宏观上的表现即为表面张力现象。

用分子势能解释：液体内部分子周围有大量分子，因此，内部分子的分子势能较低。

然而，表面层中的分子周围的分子明显小于液体内部分子的，所以，表面层的分子有较高的分子势能。

为了达到低能量的稳定状态，表面层中的分子有向液体内部移动的趋势，从而导致表面层中的分子数量减少，宏观表现为液体表面积减小。

效应一、水滴下落时为什么呈球形？1.物质总自然趋于势能最低的状态2.在空间几何体中，球形的表面势能最小。

球形是同体积几何体中，表面积最小的，球形是同表面积几何体中，体积最大的。

球体是一种表面没有棱角的几何体。

上面这两个概念的证明，本文就不涉及了，把它当作最基本自然法则即可。

有兴趣读者可以做一些证明。

失重：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的情况称为失重现象。

人对支持物的压力等于零，便是所谓的“完全失重”。

宇航员在空间站里便是“完全失重”的状态。

应当注意的是，人处于失重状态时，人的重力没有变化(同一地点)，始终存在，只是人对支持物体的压力变化了而已，其实是人的一种错觉。

完全失重的定量分析：当a=g时，支持力为N，由牛顿第二定律知：mg－N=ma=mg 所以N=0由牛顿第三定律可知，物体对支持物的压力为0得出结论：向下加速向上减速：加速度方向向下，产生失重现象故只要加速度方向向下就是失重，与速度方向无关。

解答：水滴实质是水，水是一种流体，流体都具有表面张力。

物理体系倾向于能量小的状态，液体会倾向于最小的表面积。

在同体积几何体中的表面积最小的是球体。

水下落时，根据经典力学，此时加速度等于重力（忽略其它因素）。

这时水滴只受表面张力，这一个力的影响。

自然得出下落时的水滴就呈球形了。

CG特效猜想：平时做水滴，我总想做成，锥形的，哪知道这样效果，跟实际不那么相符合的。

是不是表面张力，在模拟时，要着重考虑。

甚至不加重力。

二、水滴下落入水中时，具体是如何慢慢融进水中的解答：水滴可以在水面上跳动而不会立刻融入进去，是因为在水滴和水面之间有着薄薄的一层空气膜分隔着它们。

John Bush教授发现，当水滴落入水面时，这个过程并不像大家经常认为的，是水滴直接融入到水里那么简单，而是更加复杂的过程。

高速摄像机的镜头下我们可以看到，在有空气膜存在的情况下，水滴在水面上就像小朋友在蹦蹦床上一样，弹上弹下；当能量消耗完之后，水滴就会静止在水面上，空气层的厚度慢慢变薄，直到水滴和水面直接接触，这时水滴会突然融入水面并产生新的一个小水滴，小水滴会向上弹起，然后再重复之前的过程。

如下图所示水滴融入水面的时候，水滴的下端先和水面接触并且接触面逐渐变大；随着这个过程的继续，水滴里面大部分的水会被挤到下面的水里，水滴也慢慢变“瘦”，而水滴和液面相连的地方会逐渐变小直到成为一个点，从而把一部分原来水滴的水分割出来；当这个点断开之后，这部分水形成的小水滴就会在表面张力的作用下向上弹起来。

上面John Bush教授所做的实验里，水滴落下的位置离水面很近，只有几个毫米的样子，这相当于把水滴轻轻地放在水面上一样。

如果水滴从更高一些的地方落下来，那它会以比较大的速度和水面相撞，大家看到的现象会略有不同，即如下图显示的结果。

下图给出的是电脑模拟的结果计算机模拟的液滴和水面表面张力相等情况下小液滴的产生过程。

红色表示的是原来水滴内的水。

就这样，一个水滴融入水面之后，它的一部分会形成一个新的小水滴，而这个新的小水滴在融入水面的时候会再形成一个更小的水滴。

这样的过程会连续发生几次次，直到水滴小到可以直接融入水面。

CG特效猜想：想做一个完整的水滴下落效果，现在心中非常清晰了。

球形下落，与水面相撞，起花，波纹，弹起，再下落…….三、为什么我们会看到，落下后水面会再弹起一滴有了上面知识点铺垫现在回答这个问题就容易多了。

解答：水有表面张力，当一滴水滴进水里时首先表面张力会托住水滴，水滴有重力，这两个力互相竞争，因此会在水面形成一个凹面，当这滴水破坏了水的表面张力时，这个凹面会反弹，就会弹起另一滴水。

这图显示了水滴落下后，另一滴弹起的瞬间CG特效猜想：这是不是很像融合分离的效果，这个可以完全用绑定的模型来完成啊，干吗要在RealFlow，Naiad这样的流体软件里走黑路呢。

四、水滴下落碰撞，为何会产生水花这个问题其实非常好，因为大部分人可能会误解水花真正的成因解答：在这个水滴和平面碰撞的过程里，水的表面张力使得水尽量平滑地铺开，而空气对运动的阻碍和摩擦使得水散开的边缘不稳定。

这两种因素的竞争就决定了是否会激起浪花。

进一步的研究表明，水滴和平面接触之后，两者正中间的地方会形成一个小气泡，水花飞溅的过程与水和平面间夹着的这层空气有很大的关系如下图所示：上图是在一个大气压下，有空气参与，产生水花这是在两个大气压下，此时不能产生气泡，也就没有空气参与进去，当然就没有水花了CG特效猜想：空气真是个好东西，在现在很多流体软件中，都没有考虑这一因素。

它们基本是基于，Grid,particle两种方式做流体的模拟。

然后用上扰乱noise。

如果有一款软件，在现有基础上加上“空气”这些因素呢。

这在制作水花时，会产生什么样影响呢。

可以自己写个辅助器试试。

也可能现在软件要有这一功能，但被我忽视了。

（要知道，做水花，是大部分流体任务之一。

小到小小水滴溅起的，大到海浪翻涌的浪花）五、水面为什么会产生一圈圈波纹？这个问题没有找到有力的资料，希望对此有研究的人，友情提供一下。

波的定义：波或波动是扰动或物理信息在空间上传播的一种物理现象。

扰动的形式是任意的。

波的传播速度总是有限的。

除了电磁波和引力波能够在真空中传播外，大部分波如机械波只能在介质中传播。

水面波的定义：它既不是纵波，也不是横波。

它是因重力以及表面张力的作用，在水表面上传播的波。

非正式解答：水面好象是有一层弹性薄膜似的,一处上下振动,就会带动附近邻近的水面跟上去振动,"邻居'又带动着"邻居',这样依次带动的结果,就产生了有规则的一圈紧挨一圈的水波,一直传向远方.水波中的每一点水分子,在不断地作上下起伏的振动.假若能把水面一刀刨开看看它的纵断面的话,那么你会发现这是一条有规律的波动曲线,这也证明了水波的确也是一种泼.在其波动过程，水的质点运动较为复杂。

如果水表面上某一质点由于外力作用而下降，形成水窝。

在重力和表面张力的作用下，周围的质点开始向下降处流动，填充水窝的凹部，并在其四周形成圆形凹槽。

在这凹槽外沿上的水的质点，继续向低处汇流，使圆槽直径增大。

在圆槽里面的水的质点，将向上“浮出”而形成凸峰。

当这部分质点再次下降时，凸峰将以圆圈状向外传播开去，形成了水面波。

在下降时水的质点除了向下运动外，还向波源方向运动；而在上升时它们除向上运动外，还向波源的反方向运动（即背向波源方向）。

随着水的质点在其平衡位置附近做周期性的运动，水面波逐渐向外传播。

CG特效猜想：波。

经常需要制作涟漪的效果，根据波动方程，与surface怎样方便结合呢？纵的？横的？。

大的波就是滔天骇浪啊，如果能解决，是不是，就不需要，绑定来实现呢。

还是现在已经有了，我不知道？听说Softimage已经有这种做大波浪的解决方案了。

Sad Princess里的就是这么做出来的。

啊啊，到底有多少我不知道的呢。

一切都要慢慢猜想，探索。

关于水滴探索就到这里.这是我的一次尝试,以后对知识的总结还要用这样的方式,特别符合我大脑动作的方式.各个方向,但底层又是紧密相关的.。