Topic 5

• Problem No.5 “Ultrahydrophobic water”
• 学生： 曹兴东 刘佳峰
• 指导教师： 原媛

Set a dish filled with soapy water onto a loudspeaker or other vibrator. When it oscillates, it is possible to hold small droplets on its surface for a long time. Explain and investigate the phenomenon.

References

3月26日
学习了信号发生器（XJ1631）的使用，并进行了第一次实验。

可以记录一下是什么型号的信号发生器。 — 乐永康 2016/03/29 11:00

信号发生器的使用记录 实验目的：了解信号发生器各按钮、旋钮的作用；掌握利用信号发生器输出需要的信号。

实验器材：信号发生器、示波器

实验内容：调试各个按钮，观察示波器屏幕上的波形变化以及参数变化。

实验现象：略。

这部分可以补充一下：一方面向别人介绍各个按钮的功能，让不了解的人知道什么是占空比，什么是直流偏置；但在说明这些的过程中，对你们来说，是很好的训练表达的过程。 — 乐永康 2016/03/29 11:01

实验结论： （1） 信号发生器面板上部分： 左侧：频率显示 中间：频率档位选择，其中最右侧红色“FUNC.”键为频率归零作用 右侧：波形选择：提供正弦波、方波、三角波形 （2） 信号发生器面板下部分： 从左到右功能依次为：调节频率、细调频率、调节占空比、DC偏置、电压（Vpp）最常用的信号输出接口位于最右端。

我们的第一次实验

实验时间：3月26日 实验目的：通过简单的实验仪器初步获得水面上游走的水珠；初步探究声波频率与水珠存在时间的关系。

实验原理：待填。

实验器材：小型扬声器（规格待查）、10mL注射器（规格待查）、直径为63mm、高为14mm、底厚度未测出的培养皿（后换成pure life 矿泉水的瓶盖）、清水、肥皂水（洗手液代替）、电脑（SineGen app产生特定音频）

注意事项：分贝过高、频率过低对人的身体有损伤。

实验内容：

S1:由电脑的音频软件SineGen app控制声音的音色、响度、频率

S2:将肥皂水注入培养皿中，注射器吸取一定量的清水备用

S3:产生声音，扬声器振动，用注射器产生水珠，滴在肥皂水表面观察现象，同时开始用手机秒表记时，水珠与下层溶液融合，停止记时；在该频率下测出4组有效数据。

S4:提高频率，重复S3；

实验数据及实验现象：

将声音响度调制最大0.0dB，改变频率：从30Hz至200Hz，发现培养皿中液体无明显震动。考虑扬声器外壳对振动的阻隔，拆去外壳。重新实验，仍无振动，将培养皿换成矿泉水瓶盖。 重新实验，将频率从30Hz逐渐调大，至70Hz左右时，有较明显的波纹，频率继续升高，波纹间距减小，且更加明显。当频率超过80Hz时波纹再次无法用肉眼观察到。

温度：体感温度较低 湿度：未知

数据表格见excel文件

实验总结：在不同频率下，随着频率的升高，液滴的行为存在不同，在低频率下（30Hz左右）液滴主要表现为垂直方向上的运动，这时液滴所能维持的时间也较长，而在较高频率下（70Hz左右的频率、能看到明显的波），液滴有明显的水平运动，而且速度较快，维持时间短暂。

原因推测及分析：由伯努利原理：流速越大，压强越小。所以液滴在表现为水平快速运动的时候难以长时间的存在。频率——>波形——>液滴运动方式——>液滴寿命。

其它实验现象：

1. 对30Hz稳定存在的小液珠，进行频率变化：从30Hz逐渐升至37Hz，水泡消失。 注：30——>37变化所用时间为1～2秒。

2. 逐渐增加液滴数目时，液滴“本能”聚成簇，而当所加液滴直径相比已存在的液滴直径较小时，会被大液滴吸收，到稳定状态时，各液滴之间，存在弹性碰撞。注：应该不是完全弹性碰撞。

3. 在70Hz条件下，小液滴可达到19个，经过17:06.2的时间才全部消失。注：这19个液滴大小基本相同。在确定液滴数目时，已有的液滴有趋向于构成正多边形的趋势。每当液滴数目较少时，液滴会剧烈地碰撞与迅速地运动，向对应的正多边形方向发展，即总保持构成对称性的趋势。而且只剩最后一个液滴开始，其寿命在十秒左右。

实验分析：

1. 频率对单个液滴存在时间有影响：当声波频率升高时，就实验数据分析，单个液滴稳定存在的时间减小。但不排除因为经过瓶盖的阻隔，瓶盖内液体的振动频率实际上并不等于由电脑产生音频信号的频率，不仅仅存在相位差，而且减弱了频率。这一点可由时间会出现特殊数据点证明。

2. 多个液珠同时稳定存在的时间要比数量较少甚至只有一个液珠存在的时间要长。即：多个液珠更有利于形成稳定的正多边形结构或对称结构。

注：这是一个实验失误：在70Hz条件下，液珠数量从19个逐渐减少，然而并没有注意从这个液珠消失到下一个液珠消失的时间间隔，直到仅4个时，从开始注意时间间隔，通过仅有的三个数据，大胆推断出“多个液珠同时稳定存在的时间要比数量较少甚至只有一个液珠存在的时间要长。”这也符合上述的猜测，由于多个液滴之间的碰撞，抑制了水平方向上沿着波的运动，因此延长了液滴的寿命。

基本可以得到的结论：在我们组的实验条件下，影响液滴寿命的原因有：

1. 在液滴维持状态下直接改变频率会直接破坏其稳定状态，导致液滴消失；

2. 液滴的水平运动状态（在频率稳定的情况下）也能直接影响到它的寿命；

3. 在液滴水平运动较为明显的状态下，增加液滴数能够增加其寿命。

猜想总结：

1. 当有多个液滴存在时会自发形成对称图案达到稳定状态，当液滴数小于对称图案的时候，保留趋势。

2. 在聚集的状态下液滴周围与其接壤的液滴数越多，是否越稳定。

实验反思：

1. 需要功率更大的扬声器提供稳定的音频信号，然而这个功率的上限不好确定。

2. 考虑保证培养皿中液体成分固定——更换大的培养皿来减弱这个影响。

3. 用硅油代替肥皂水实验。

4. 实验目的需要在此明确。

5. 瓶盖直径较小，会不会对实验有影响

下一步：

1. 探究上述猜想，附加探究当液滴“簇”逐渐缩小时，每一次所用时间之间的关系；以及不同数量的液滴所维持的图形。
2. 探究频率与波形之间的关系，以及液滴的运动方式。bouncing threshold and walking threshold。

附件：图片

该图片是19个液滴存在的情况，很明显的正六边形，而且较稳定，几乎没有发生液滴相互位置之间的改变。

该图片为18个液滴存在的情况，相比正六边形，缺少一个液滴，此时液滴的相对位置会改变，但总体形状没有发生太大的改变，依旧有趋向于正六边形的趋势。

由于疏忽，应该有一张为十四个液滴的图，也是十分对称的图形。

此图的出现是由于中途出了点意外（电脑突然发生），导致频率有一个突变，引起了如图所示的状况。

以下图片仅供观赏

1.mp4
2.mp4

03.29

今天在原老师的指导下，我们组对实验进行了改进，以及对实验装置和参数的初步调整。 在上个实验中使用的扬声器规格太小(尺寸、功率等)，还有十分草率的瓶盖，以及不方便使用的针筒，我们几乎将整套的仪器都改了，只能说之前的仪器都太“粗”了。

实验仪器：音箱，表面皿，酸式滴定管，铁架台，（固定钳），由洗手液配成的溶液；

软件：sinegen

实验仪器的改变导致了原先适合装置的参数不适用，因此，花了较多的时间在实验仪器的改进以及参数的设定上。

实验说明：在上一次实验中，没有探究振幅对实验的影响（设为一定值），而在这次的实验改进中引入了振幅这一自由参数，并且是通过控制音量的大小来进行试验；并且将锯齿波改为正弦波。

实验内容：

1. 将锯齿波更换成更稳定的正弦波

2. 先使用肥皂水的水滴确定合适频率及振幅，即保证水珠能较长时间的存在。在该频率及振幅下，将肥皂水水滴更换成自来水水滴，重复实验，比较水珠稳定存在的时间长短。再将培养皿的液体也全部更换成自来水，重复实验。

3. 先使用肥皂水的水滴确定合适频率及振幅，即保证水珠能较长时间的存在。确定此时培养皿中液体的高度。改变培养皿中液体的高度，重复实验。

4. 调整滴管下方到液面的距离，观察在同一频率及振幅下的水珠形成难易。

实验现象：\\

1． 将波形更换成正弦波后，下方液体的振动明显更加稳定，产生的水波也更加规则。

2． 从肥皂水水滴改成自来水水滴，水珠稳定存在的时间变短，且很难形成较大的水珠簇。当下方液体被换成自来水时，水珠难以形成。

数据处理及实验分析 3. 培养皿中的液体高度存在一个合适值，当液面过低时，水滴滴下是就触碰到培养皿的皿底，破坏水滴形态，

实验误差：
1. 培养皿的侧壁有肥皂水的泡沫，当簇与泡沫接触时，水珠大量消失

2.肥皂水的浓度

后续可探究问题：

由于液面不可能的无限承载液滴，因此当液滴数达到一定限度的时候，应当会出现湮没现象，然而在实验中培养皿的高度所决定的时间并没有让我们观察到这一现象，在后续的实验中可以调整参数来减缓液体的溢出。

方案一：减小初始波面的高度

方案二：直接用针筒转移培养皿中的液体（此方案对实验的影响还需进一步探究）

关于几个小液滴合并成一个大液滴的现象

可以探究其形成的条件（考虑：已有液滴数及其周边的个数、频率、振幅的影响）

能否控制条件使得液滴的半径一致

04.01

在实现湮没现象的实验中，液面几乎布满了液滴，甚至发生了累叠现象（由于液面无法容下更多的液滴，直接在液滴之上短暂形成了第二层，当又有空间时会进到下一层）

水面之下的观察：可以看到明显的下凹，并且在下凹处液滴之外附有一层十分明显的气膜，液滴越大越明显，并且维持的时间越短。

但是并没有观察到湮没现象；
原因分析：
1.可能是因为培养皿的半径过小，提供的表面张力能够承受现有的液滴；
2.可能并不存在湮没现象，存在簇的极限，即有一个极限半径，到达这一半径后到达消失与形成的平衡因此，或是液滴对液面的作用是独立的，存在个体的消失而不存在整体的湮灭

当在某一条件下（），水珠簇聚成一个大的水珠，通过慢镜头发现，该过程是逐步的，即一个较大的水珠吞噬邻近的水珠（），形成新的较大的水珠……重复这个过程（），直到形成一个临界大的（）水珠破裂

这个课题进展如何？在这页面上看不出来啊！ — 乐永康 2016/03/22 22:46

很不错的进展！赞！是否拍了视频？在运动速度、频率较低时，手机拍摄可能就足够了。 — 乐永康 2016/03/27 23:33

拍视频了，已经传上去了。—刘佳峰 2016/03/28 09:37