雨为什么是一滴一滴下的？

pgl147258 2015-02-02

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【汪有的回答(290票)】:

楼主问“为什么一滴一滴落下而不是柱状落下”，根本原因在于雨的形成是云层中水汽凝结到凝结核上，空气托不住了掉下来，变成雨。落下来的时候水滴就不是很大。

为什么不会像楼主说的那样，“当棉花和筛子承载的水达到一定程度时水会以水柱的形式流下”，其实筛子也不会，即使下落过程中出现雨滴合并成的柱状水流，也会很快分散掉。

可以试着去做一个实验，打开水龙头，涌出柱状连续水流。如果水龙头过高，你会发现水柱下降一定高度后会开始分散。如果高度够高，在底部将完全分散成雨滴。

比如下图：委内瑞拉天使瀑布，落差985m，图中瀑布下部的水流已经分散成大量密集的水滴。

形成本现象最主要的原因之一是：自由落体定律。

当雨滴或连续的水柱进行自由落体之时，受重力加速度影响，速度大约每秒增加9.8m/s（可以近似按10m/s计算）。降落时间越久，下落速度越快。

总结为我们最熟悉的公式：

V=gt 速度与时间成正比

h=1/2*gt2 下落距离与下落时间的平方成正比

也就是，当物体下落1秒、2秒、3秒...时，下落距离是5m、20m、45m...

如果许多小球依次以每隔1秒钟一个的速度在同一高度进行自由落体，你会看到这样的图景：

可以看到，小球越往下越分散，这是由于先落下的小球比后落下的速度永远快一些（速度差=时间间隔*重力加速度），如果你以后落下的小球为参照物，你会发现先落下的小球以匀速离开后落的小球，于是两者之间相对的距离将会越拉越大。可以看到，小球越往下越分散，这是由于先落下的小球比后落下的速度永远快一些（速度差=时间间隔*重力加速度），如果你以后落下的小球为参照物，你会发现先落下的小球以匀速离开后落的小球，于是两者之间相对的距离将会越拉越大。

现实生活中的图片，一群人以相等间隔时间跳伞，先跳下去的很快就把后跳的甩在后面，跳伞者分布越往下越散，就是这个道理。

回归到降雨问题，大量的降雨中，形成雨的凝结模式决定了雨滴不会很大，但即使在降落初期以水柱形式落下，由于水柱上下端下落时间不同，下端速度快于上端，上下端距离越落越远，下落中会将水柱拉长最后断裂，形成一滴滴雨滴。

评论里提到空气阻力也很重要，非常正确，雨滴形成当然也是受多方面因素影响，水分子能聚在一起成为小滴是受表面张力影响，张力越大受空气阻力影响也越小。不过如果去看看倾倒钢水的图片，会发现倒钢水也是越流越细最后断成钢水滴。钢水密度较大，张力也大，受空气影响小，但依然被拉长断裂，所以其实即使在无阻力模式下，连续下落的液柱也一样会分开碎成小珠。

当然，先后下落的两滴水中间的距离不会一直拉长，因为雨滴下落会遇到空气阻力，空气阻力与下落速度成正比，当达到一定速度，空气阻力将等于重力，这时雨滴将达到极限速度，匀速下降。通常来说，雨滴越大，极限速度也越大。毛毛雨的极限速度是2m/s，暴雨（雨滴最大直径5.5mm左右）的雨滴最大收尾速度为8~9m/s。

回答完毕。

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发现上了《知乎日报》，那我要补充一下，同一问题之下还有@杨文豪的答案写的很棒。他从雨水形成降落过程入手，提出了不同的看法，我觉得也很值得一看。

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【杨文豪的回答(78票)】:

答案已更新。原答案见后。

看到上面回答的评论里有人鼓励我“另开一楼，怒答一记”，却没多少人注意到，我的答案其实很早之前就挂在这里了......心塞......

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原来答案的可读性确实是很差，所以我来把它修成一篇长文吧......（如果没有特殊标注，则图片来自百度图片，如有侵权请告诉我，我马上编辑）

题主的问题是，为什么雨是一滴一滴的？

首先来回答问题，简单来说，是因为雨形成的时候就是一滴一滴的，并且下落的过程中，也只能是一滴一滴的。

一、我们先来看看雨是怎么形成的。

众所周知，水汽围绕凝结核发生凝结和凝华，是成云致雨的基础，我们管这种凝结或凝华的产物叫云滴。我们通常所见到的云，实际上都是由千千万万的云滴组成的。从这个角度来说，天上的云和地上的雾并没有太大的差别，实际上飞近了看也是如此。云滴并不都是小水滴，一片云中的云滴，可能是水滴，可能是冰晶，也可能是过冷却水滴（也就是温度低于0℃的水滴，别问我它为什么不结冰，结冰可不是温度一个条件说了算的），也可能拥有其中的两到三种。

云滴受到上升气流的托举浮在空中，就好比一个人往空中的羽毛吹气，就能让羽毛一直浮在空中一样。但是云滴不像羽毛，它的质量并不是一成不变的，而是会不断地增长。

云滴的增长主要有两种方式，一种是进一步凝结和凝华（上图右），一种则是重力冲并（或者叫碰并，上图左，在下文中会有重点介绍），在这里就不详述了。云滴增长的结果就是变大，并且最终超过上升气流的托举能力，掉落下来变成降水。

所以可以看到，在整个成云致雨的过程中，水分都是以“滴”的形式存在并发展的，所以降水的形式，也是以“滴”为单位进行的。

二、我们再来看看雨在降落的过程中发生了什么。

在此之前夹带一点私货，一滴一滴的雨长什么样？

有人可能觉得长这样：

但实际上并非如此：

雨滴的形状从何而来？

分析雨滴的受力在探究雨滴的形状中非常重要。雨滴在下落的过程中，主要受到三个力的作用，即表面张力、重力和空气阻力。

表面张力让水滴像个球。如果我们在空中洒下一把沙子会发生什么？没错，沙子会在风中散开。因为并没有一个力能将分散的沙子聚成一个整体。而水则不同，表面张力可以让水作为一个整体，保持一定的体积，同时在两个水滴相遇时，会发生粘附，并在表面张力的作用下形成一个新的更大的近似球体的水滴。

其次是重力。重力会不会让水滴拉伸变形？会，但并不是因为自由落体定律。只有当物体下落存在先后次序时，自由落体定律造成的撕裂才有用武之地，但是整个雨滴是同时开始下落的，因此其加速过程也是同步的，并不会导致水滴的上下部分因为速度不同而分离。那么重力如何发挥作用？通过静压力。我们可以通过水滴内外的应力平衡来分析水滴的形状，在水滴内部，由于重力的存在产生了静压力，外部则有表面张力和空气阻力，内外压力如何平衡让我们找到了一窥雨滴形状的门户。模拟的结果显示，雨滴的真实形状接近椭球体。

由于空气阻力的缘故，这个椭球的下部会变得扁平。当雨滴比较小的时候，空气阻力的影响并不显著，表面张力占主导，但随着雨滴尺寸的增大，空气阻力的影响渐渐显现，扁平变得明显。高速线阵扫描雨滴谱仪的观测结果如下：

（刘西川等，2013）

实际上这种形状并不是雨滴的专利，任何水体在下落的过程中都有着和雨滴类似的遭遇。

但是但是空气阻力并不是只有让雨滴变形这一个作用，它还掌握着雨滴的速度和尺寸。

物理基础比较扎实的同学都知道，在考虑空气阻力的情况下，自由落体运动是存在一个极限速度的。对于雨滴而言也同样适用，并且质量大的雨滴极限速度会大于质量小的雨滴。在一般条件下，半径3mm的雨滴（也就是直径6mm）末速度为918cm/s，而半径为1mm的雨滴（直径2mm）的末速度仅有649cm/s，随着半径的继续降低，这种速度差异会显著拉大，对于半径为0.02mm（直径0.04mm）的雨滴来说，末速度已经下降到了5cm/s。

（周淑贞《气象学与气候学》）

在这种速度差异下，实际发生的情况，是一个大雨滴会以远超过下方小雨滴的速度横扫一个圆柱形的空间，并吞并这个空间内所有下落速度比它慢的小雨滴，进一步扩大，进一步加速，进一步吞并，最终成为一个庞然大物。这就是重力冲并的过程。

如果重力冲并持续下去的话，最后落到题主面前的，就算不是一条水柱，也是一个硕大无比的水球。所以雨滴在下落过程中的解体机制必不可少。水滴体积的增长，存在一个2-3mm的临界尺度。当水滴在空气中下降时，周围作用在水滴上的压力以及水滴内部的静压力差均随水滴的增长及下降而不断增大，过大的水滴变形越来越剧烈，表面张力无法再继续维持如此大的体形，水滴的底部向内凹陷，形成一个空腔，空腔越变越大，越变越深，上部越变越薄，最后大水滴破碎成许多大小不同的水滴。

随着体积过大的水滴在气流中解体，产生很多小水滴，下落速度也会随着水滴尺度的变小而骤降。正是因为这样的解体机制，当下落的距离超过一定高度时，任何水体都会以小于临界尺度的水滴的形式落地（当然结冰属于作弊，冰块的结构可比水滴稳固地多）。所以落到地面上的，都是“滴”。

综上，无论是形成的过程，还是下落的过程，都决定了雨只能以“滴”的形式落地。

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重点回复一下关于钢水的例子，我仔细思考了一下，觉得钢水的例子不适合与雨滴类比。

第一，倾倒钢水的过程是缓慢的，也就意味着钢水流出转炉的时候，有些钢水的前端已经开始下落，而钢水的后端依然通过张力与转炉内的钢水荣辱与共，所以钢水才会在前端断裂成粒。如果假设转炉突然消失，整炉钢水同时下落，那么它们只会同时加速下落，不会因为下落速度的不同而断裂。就如 @Chaos Jam 所言，如果一个水柱从云中掉出，那么因为各点的加速过程完全同步，它将会以水柱的形式落地。雨滴正是这种情况，因此用自由落体来解释雨滴在下落过程中的解体，不合适。（水龙头的例子其实也是一样，从水龙头中先后流出的水被先后赋予了同样的初速度，这个初速度是由水管的水压决定的，也就相当于先后落下的小球，水柱并不是作为一个整体同时落下的）

第二，钢水的表面非常坚固。钢水的表面经过初步凝固，其牢固程度比起雨滴的表面张力而言简直是固若金汤，因此雨滴在下落过程中发生的解体机制，并不适用于钢水，也就是说，因为钢水的表面承受压力的能力太强，很难像水滴一样因为太大而在空中解体。不过如果将钢水液滴以极快的速度发射出去，应该也可以看到它在气流中解体的过程吧。

@汪有

————————原答案——————————————

我觉得答案分为两部分。

第一部分，雨的形成和筛子上的棉花是不同的。筛子上的棉花能流出水来，是从棉花的缝隙中直接流出成股的液态水，即使有筛子的作用，在表面张力的作用下，筛子的下表面其实也接近一个完整的水面，从这上面一旦有水开始下落，周围的水膜就会在张力的作用下汇集过来沿着它的轨迹一同下落，形成水柱。而云在成雨之前，首先是形成云滴。云滴是围绕着凝结核由水汽凝结而成，彼此之间没有像棉花中的水那样的水力联系，可以认为是独立的个体，所以当它们过重而开始下落的时候，也不会因为水力联系成股。

第二部分，雨的下落过程和棉花中下落是不同的。第一个答案说的有道理，你的筛子放的不够高。成雨的过程中，雨滴之间难免会互相碰撞并合并为大雨滴，称之为冲并，具体过程比较复杂就不详述了。但是形成的大雨滴是有极限的，并不能无限扩大，成为水柱更不可能。因为在下落的过程中，越大的雨滴受到空气阻力、气压变化的干扰越严重，结构越不稳定，越容易解体。当水滴半径增大到2-3mm时，水分子间的引力难以维持这样大的水滴，在降落途中，就很容易受气流的冲击而分裂。所以实际上经常发生的情况是：雨滴在下落的过程中冲并成为大水滴，然后被“风”吹散，又成为万千小水滴，循环往复，直到落地。所以不存在成为水柱的条件。

当然，当雨滴的密度实在是太大了，能实现真正字面意义上的“倾盆大雨”，水柱还是有可能出现的，但这样的现实案例我没有见过，题主如果见到了的话，别忘了告诉我们。

【Vamei的回答(5票)】:

表面张力有限。过大的水滴会在下落过程中分裂。

【陈素封的回答(5票)】:

如果一片一片，或者一团一团地下，地上的生物会进化成乌龟模样吧。

【张腾霄的回答(7票)】:

这个问题我小时候就想过，不过自从在跟表哥在舅舅家三楼半往楼下撒尿我就明白了，起先从丁丁出来是水柱状的，后来越到下面越分散成小水滴状，最后几乎成雨状。我就觉得应该是空气的阻力把水分散了，下落距离和时间越长，水滴就越分散，形状也越小。虽然从空中几千米落下非常长，但由于云团实在太大，所以下落到地面就是我们平常见到的大小。

想要效仿的可以从顶楼倒一盆水，效果相似，请注意楼下行人。

知乎首答，望笑纳。

【刘千勇的回答(6票)】:

题主先去厕所试一下，保证你马上就能得到一个非常感性的认识。。。。。。

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下落的水成滴状是必然的，且不论雨滴落下的时候本来就是液滴，在下落的过程中间距会越来越大（开始下落时间差会导致一个持续的速度差，相对速度会不断拉开两者距离）。就算下落的时候是水柱，由于表面聚合力不能抵抗速度差带来的分开趋势，水会破开，直到二力平衡以后形成稳定的水滴。

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PS：节约时间就不画图了，画速度图和受力图题主可以看看初三物理课本相关章节。

【头文字D的回答(3票)】:

当从高处连续倒一杯水，水柱下降到一定高度也会分裂成一滴一滴的水。

原因是空气阻力与水的表面张力之间关系。相同体积球状水滴的表面积小，形成表面相对张力大，可以稳定下落。如果是别的形状，一定可以在下降过程中，收到空气阻力形变，相对表面张力变小最终“爆炸”成不连续水滴。

【爱你一碗面的回答(4票)】: