微米液滴穿透流动皂膜的隧穿现象

当微米级水滴以速度 $v_{i}$ 撞击自由悬浮的皂膜时，存在一个临界穿透速度 $v_{C}$。对于 $v_{i}<v_{C}$ 的液滴，撞击后会随皂膜一起流动；而对于 $v_{i}>v_{C}$ 的液滴，则会穿透过去。在所有情况下，尽管液滴半径（$R_{0}=26\,\mu m$）远大于皂膜厚度（$0<h\lesssim10\,{\mu}m$），皂膜仍保持完整。我们测量了临界速度 $v_{C}$ 随 $h$ 变化的函数关系，有趣的是，在 $h\rightarrow0$ 的极限下，$v_{C}$ 趋近于渐近值 $v_{C0}\simeq520\,$ cm/s。这表明除了惯性效应外，穿透还需要膜的变形或拉伸能量。定量地看，我们发现该变形能量相当于产生液滴截面积约14倍（$14\pi R_{0}^{2}$）的新增面积，或对应临界 Weber 数 ${\rm We_{C} } (\equiv2R_{0}\rho_{w}v_{C0}^{2}/\sigma)\simeq44$，其中 $\rho_{w}$ 和 $\sigma$ 分别为水的密度和表面张力。核心结果：研究了液滴与皂膜之间的相互作用。当撞击速度高于临界速度时，液滴穿透皂膜而不使其破裂。实验结果通过包含膜拉伸的机械碰撞模型得到了合理解释。