Mengapakah Titisan Hujan Tidak Berbentuk Air Mata?

Cuba lukis setitis hujan. Kebanyakan orang mungkin melukis bentuk seperti air mata, dengan bahagian bawah membulat dan bahagian atas meruncing. Bentuk itu biasa digunakan pada simbol cuaca, ilustrasi dan animasi, tetapi titisan hujan sebenar yang sedang jatuh tidak lazimnya mempunyai bentuk tersebut.

Titisan kecil hampir berbentuk sfera. Apabila saiznya meningkat, bentuk titisan boleh berubah kerana udara yang dilaluinya memberikan daya pada permukaannya. Perubahan ini melibatkan dua konsep penting dalam fizik, iaitu tegangan permukaan dan interaksi antara bendalir yang bergerak.

Mengapakah titisan kecil hampir berbentuk sfera?

Air terdiri daripada molekul yang saling menarik melalui daya antara molekul. Molekul air di bahagian dalam cecair dikelilingi oleh molekul air yang lain, manakala molekul pada permukaan berada pada sempadan antara air dengan udara. Keadaan ini menyebabkan permukaan air mempunyai tenaga yang berkaitan dengan luas permukaannya, dan fenomena itulah yang dikenali sebagai tegangan permukaan.

Tegangan permukaan menyebabkan cecair cenderung mengurangkan luas permukaannya apabila keadaan lain membenarkan. Bagi isi padu tertentu, sfera ialah bentuk geometri yang mempunyai luas permukaan paling kecil. Oleh itu, titisan air yang kecil dan tidak mengalami gangguan luar yang besar cenderung membentuk sfera. Penjelasan ini tidak bermaksud permukaan air mempunyai kulit pepejal, kerana permukaan itu masih terdiri daripada molekul air yang boleh bergerak. Buku fizik OpenStax, College Physics, menerangkan hubungan antara daya tarikan molekul, tegangan permukaan dan kecenderungan cecair mengurangkan luas permukaannya.

Mengapakah bentuk titisan berubah ketika jatuh?

Titisan hujan mengalami daya graviti yang menariknya ke arah Bumi. Apabila titisan bergerak melalui atmosfera, udara di sekelilingnya mengalir secara relatif terhadap titisan itu, lalu menghasilkan taburan tekanan dan tegasan pada permukaannya. Bagi titisan yang sangat kecil, tegangan permukaan cukup berpengaruh untuk mengekalkan bentuk yang hampir sfera. Namun, apabila titisan semakin besar, kesan aliran udara terhadap bentuknya menjadi lebih ketara.

Bagi titisan hujan yang besar dan sedang jatuh, tekanan udara pada bahagian bawahnya lazimnya lebih tinggi daripada bahagian atasnya. Perbezaan tekanan ini menyumbang kepada perubahan bentuk titisan, lalu titisan menjadi lebih lebar pada arah mendatar dan lebih pendek pada arah menegak. Bentuk ini kadangkala dibandingkan dengan roti burger yang bahagian atasnya melengkung dan bahagian bawahnya agak leper, tetapi perbandingan itu hanyalah analogi bentuk, bukan gambaran bahawa semua titisan hujan mempunyai geometri yang sama. NASA menerangkan bahawa titisan kecil hampir berbentuk sfera, manakala titisan yang lebih besar mengalami perubahan bentuk akibat interaksi dengan udara ketika jatuh.

Adakah semua titisan hujan menjadi leper?

Tidak. Bentuk titisan bergantung pada saiznya serta keadaan aliran udara. Secara umum, titisan kecil hampir berbentuk sfera, titisan bersaiz sederhana boleh menjadi leper, dan titisan yang sangat besar boleh mengalami perubahan bentuk yang lebih ketara. Dalam keadaan tertentu, bahagian bawah titisan besar boleh melengkung ke dalam sehingga bentuknya menyerupai payung terjun, dan titisan yang mengalami ubah bentuk berlebihan boleh menjadi tidak stabil lalu berpecah kepada titisan yang lebih kecil.

Perubahan ini tidak berlaku pada satu saiz yang mutlak bagi semua keadaan, kerana sifat air, keadaan udara dan pergerakan titisan turut mempengaruhi hasilnya. Hong Kong Observatory menerangkan bahawa titisan hujan yang kecil lazimnya hampir berbentuk sfera, manakala titisan yang lebih besar boleh menjadi leper akibat aliran udara.

Mengapakah titisan tidak terus menjadi semakin besar?

Titisan hujan boleh membesar apabila bergabung dengan titisan lain, tetapi pertambahan saiz tidak boleh berterusan tanpa batas dalam keadaan atmosfera biasa. Apabila titisan menjadi semakin besar, daya daripada aliran udara boleh mengubah bentuknya dengan lebih kuat, dan apabila melebihi saiz tertentu, ubah bentuk yang semakin ketara boleh menyebabkan titisan menjadi tidak stabil lalu berpecah kepada beberapa titisan yang lebih kecil. Proses ini membantu mengehadkan saiz titisan hujan yang dapat bertahan ketika jatuh melalui atmosfera.

Walau bagaimanapun, pemecahan tidak berlaku secara automatik setiap kali dua titisan bergabung. Hasil perlanggaran bergantung pada saiz, kelajuan relatif dan keadaan perlanggaran.

Adakah titisan air di atas daun mempunyai bentuk yang sama?

Tidak semestinya. Titisan yang jatuh bebas melalui udara mengalami keadaan yang berbeza daripada titisan yang berada di atas permukaan pepejal. Bagi titisan di atas daun, kaca atau permukaan lain, bentuknya turut dipengaruhi oleh interaksi antara air dengan bahan permukaan itu. Daya tarikan antara molekul air dengan bahan lain dikenali sebagai lekatan. Jika air sukar membasahi sesuatu permukaan, titisan boleh membentuk gumpalan yang lebih membulat, manakala pada permukaan yang mudah dibasahi, air cenderung merebak dan membentuk titisan yang lebih leper.

Sudut antara permukaan pepejal dengan garis tangen permukaan titisan pada titik sentuhan dikenali sebagai sudut sentuhan. Penerangan daripada Massachusetts Institute of Technology menunjukkan bagaimana sudut sentuhan digunakan untuk membezakan permukaan yang mudah dibasahi air daripada permukaan yang menolak pembasahan air. Oleh itu, bentuk titisan hujan yang sedang jatuh tidak boleh disamakan secara langsung dengan bentuk titisan air yang melekat pada daun.