水氣球撞上釘板，會發生什麼？

把裝滿水的氣球扔到整齊排列著釘子的木板上會發生什麼？氣球破掉、水花四濺？這可不一定。事實上，在合適的條件下，水氣球可以從釘板上完好無損地蹦起來：

彈起來了！原視頻來自：Roskilde Universitet, Naturvidenskab

在實驗室里，羅斯基勒大學（Roskilde University）的物理學家蒂娜·赫克歇爾（Tina Hecksher）和她的學生們用高速攝影機記錄下了這番景象。不僅如此，他們還將玩耍水球的心得寫成論文，並發表到了《歐洲物理期刊》（European Journal of Physics）上。這是怎麼回事？

「薄餅彈跳」

其實，這是在重現一種獨特的流體力學現象，它被稱為「薄餅彈跳」（pancake bounce）。這種現象最初是在超疏水表面上觀察到的。

說到疏水材料，許多人會首先想到荷葉。荷葉表面覆蓋著蠟質，同時又有很多刷子狀的微觀凸起結構，因此它與水很不親和。科學家們製作人工的超疏水材料也是採取了這樣的思路，超疏水材料對水滴是如此「拒絕」，水滴落在上面是不但不會潤濕表面，還會在表面上彈跳，就像是蹦床上的運動員一樣。

彈起水滴的超疏水表面。原視頻來自：UniversityRochester

如果仔細觀察這些彈跳的小水滴，一般會看到它們在撞上疏水表面之後先是被「壓扁」，然後再逐漸回縮，恢復原來的形狀，再從表面上彈起來。但是，在特定情況下，小水滴卻會以截然不同的狀態蹦起來——它們在騰空時依然保持著被「壓扁」的樣子，這就是「薄餅彈跳」（pancake bounce）了。

就像這樣，看到飛起的「水滴餅」了嗎？原視頻來自：Roskilde Universitet, Naturvidenskab

在排列著整齊凸起的超疏水表面上就能觀察到水滴的「薄餅彈跳」，但遺憾的是，由於突起陣列間的間距只有0.2毫米，它們只能在顯微鏡下進行觀察，也不方便物理學家進行深入研究。

用釘板做一張「大荷葉」

於是，赫克歇爾博士在指導學生觀察這個有趣的現象時，提出了一個大膽的假設：我們能不能把尺度放大，把這種現象帶進宏觀世界呢？這樣一來，觀察和測量就會變得很方便了。但是，這能做到嗎？

答案是：真的能。

他們將256個釘子布置在平板上，做成一個大的釘子板陣列。釘子彼此之間距離約為1.85厘米，以模擬亞毫米級疏水材料表面密集的刷毛狀突起。如此以來，他們製作出一個相當於「放大了100倍的荷葉表面」。隨後，為了增大宏觀下「大水滴」的表面張力，他們選用裝滿水的氣球來代替水滴。同時，採用一個數碼相機以每秒300幀的頻率記錄衝擊發生時的慢動作，並在平板下放置壓電感測器來記錄衝擊力。

實驗中，他們讓裝滿水的氣球以不同速度落在釘板表面，並觀察氣球的變形情況。結果，當氣球下落的速度超過一定臨界值之後，可愛的「薄餅彈跳」出現了。對比顯示，在放大了一百倍的釘板上，水球的表現和疏水表面上的水滴非常相似。

對比一下落在平板和釘板上的水球， 右邊彈起時保持著「餅狀」。原視頻來自：Roskilde Universitet, Naturvidenskab

再來看看分解動作。

進一步的研究顯示，下落的水球之所以會出現「薄餅彈跳」，是因為釘板具有空隙（超疏水表面的凸起也是如此）。當水球撞擊釘板時，它會部分陷入釘子陣列中，並在氣球膜的作用下受到回縮的彈力（對於水滴而言，則是表面張力）。隨後，氣球迅速被反彈回去，整個水球就像是受到彈簧的彈力一樣，「圓餅」形狀還沒來得及恢復就整個騰空而起了。

簡單又有趣

經過如此簡單而巧妙的實驗設計，這種獨特的液滴彈跳現象被放大到了肉眼可見的程度，小水滴在疏水材料表面彈跳的奧秘也隨之真相大白。液滴在彈跳時容易發生破裂，而水球則更容易保持完整，測量起來也很方便。因此，研究者們希望利用這個放大版的模型來進行更多研究。

此外，這個實驗簡便又直觀，也很適合走進課堂，用來給學生做演示。你也一樣可以自己動手，製作在釘板上蹦跳的水球。

不過要注意：這個實驗並非總能成功。研究者表示，超過1.5米的下落就會讓水球破裂，釘子太少或是氣球膜不均勻時，氣球也可能會破掉。小心不要弄得一身水哦。

研究者也有失手的時候……原視頻來自：Roskilde Universitet, Naturvidenskab

（編輯：窗敲雨）

參考資料：

Jonas Andersen Bro et al, The macroscopic pancake bounce, European Journal of Physics (2017).DOI: 10.1088/1361-6404/38/1/015006

Yahua Liu, Lisa Moevius, Xinpeng Xu, et al. Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces. Nature Physics 10, 515–519 (2014) doi:10.1038/nphys2980