水滴能穿透石头真的科学吗？)

小学生都听过水滴石穿的故事，长辈通常用这个成语来教育孩子做事要持之以恒，成功自然会到来。“水滴石穿”源于汉代的《梅成传》，描述了一种自然现象:水虽然微弱无形，但久而久之也能凿穿石头。

水是如何穿过岩石滴下来的？其实这是一个有趣的科学问题。水滴不靠蛮力。是一套“组合拳”，涉及物理和化学过程。

无定形水

水能

下雨的时候，水滴从几公里的高度空落下。你有没有担心过自己的头被砸？很明显，雨滴除了让你变成落汤鸡，让你着凉之外，不会有任何伤害。孩子们喜欢在雨中玩耍！

孩子们喜欢在雨中玩耍。

因为空空气阻力，雨滴下落速度最快只有8m/s左右，通常雨滴大小在3mm左右，最大直径不超过5mm。较大的雨滴会在空气体中散射，变成小水滴，所以雨滴的最大质量约为0.065g，根据动能定理，我们可以计算出雨滴落地时的最大动能为0.002焦耳。

水很温和。

雨滴的动能很小，落在我们身上时，我们几乎感觉不到，更谈不上造成什么伤害。为什么它能在坚硬的石头上凿洞，甚至滴水穿石？

腐蚀

在地球科学中，我们把水滴和石头渗透的过程称为“侵蚀”。或者风会通过不断的侵蚀将岩石表层物质剥离溶解，然后搬运到其他地方。

侵蚀是一个自然过程，但往往伴随着人为因素。我们在自然界中很少发现石头滴水穿石的例子，但在人们屋檐下的砖石中却相当常见。

石阶被水滴凿出。

一个重要原因是屋檐会收集雨水，在下面形成稳定的细流。但是，在自然界中，你很难找到这样的地方，有些悬崖峭壁下可能有明显的水滴侵蚀痕迹。

水滴在屋檐下容易被侵蚀。

在爱尔兰克隆莫尔的乡村，你会看到一些花岗岩石，上面有坑。关于它的起源有很多争议，但科学家认为这些石臼不是自然侵蚀形成的，可能是古代爱尔兰人用来捣碎谷物的地方。

这些坑不是水滴形成的。

侵蚀的过程

当一个水滴从空下落，撞击到岩石表面时，其携带的动能会冲击岩石。小于3mm的水滴在下落过程中是球形的，而大雨滴由于空气体的阻力变成了窝头的形状。

水滴的形状

大雨滴落地时，会在中心点产生聚能效应，从而对岩石表面造成损伤。虽然这种伤害是轻微的，但从微观的角度来看是不可忽视的。水滴的表面张力倾向于保持水滴的原有形状，从而将大部分动能转移到中心的小气泡上，使高能量聚集在这个气泡周围，岩石表面结构会被这种能量破坏，从而形成缺陷点。

高压气泡在水滴下部的能量积累

事实上，岩石的表面并不总是非常平坦的，所以即使是小雨滴打在上面，也会在凹陷处形成强大的应力，冲击波会放大加深那些小坑。

水滴冲击能量在凹陷处被放大。

你可能会问，当岩石表面的坑不断扩大，变成一个个小水坑，水滴就打不到岩石表面了。它是如何继续向下挖掘的？在岩石表面形成水坑时，水滴不能直接撞击岩石，但撞击到水面时会产生向下的横波，也会将水滴的撞击能量转移到岩石表面。如果有石英砂从岩石表面脱落，这些小沙粒会像砂纸一样打磨岩石，从而造成新的损伤。

将冲击波能量转移到水底。

在寒冷的冬天，渗入岩石缝隙的水会冻结膨胀，膨胀的冰会压碎周围的岩石，从而加深其深度，扩大坑的范围。

水的化学侵蚀

冰膨胀过程中水滴的撞击、摩擦、破裂都属于物理侵蚀，而水滴和岩石也是一种化学侵蚀。

石灰石在我们周围被广泛用作建筑材料。它的主要成分是微小的碳酸钙和应时颗粒的混合物。它来自远古时期的海壳沉积。

碳酸钙基本不溶于水，但会与酸发生反应。当微量的二氧化碳溶解在雨水中时，水变得更酸。此时，水中的碳酸将与石灰石中的碳酸钙发生化学反应，生成水溶性碳酸氢钙:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

碳酸氢钙被水冲走，岩石表面留下的孔洞会加剧空化过程中的“空”效应，加速侵蚀。

洞穴的形成伴随着化学侵蚀。

许多大自然的奇观是由被水侵蚀的石灰石雕刻而成的。除了物理冲刷，关键因素是溶解在水中的二氧化碳对碳酸钙的溶解。

总结:

水流的侵蚀塑造了我们今天地球的地形地貌，但水滴和石头往往需要人类的帮助。

我们用屋檐把雨水聚集在一起形成水流，让水滴反复撞击下面特定范围的岩石；在水滴冲击的瞬间，其动能会通过高压气泡集中在岩石表面，然后水滴会放大受损的岩石表面；水滴可以通过冲击波冲刷岩石，也可以通过冻结膨胀使岩石的裂缝扩大。

水滴在用物理方法雕刻岩石的同时，也用二氧化碳溶解岩石，从而达到化学侵蚀的效果。

水滴造成的深洞

无论是物理侵蚀还是化学侵蚀，水滴打磨岩石的过程都是极其缓慢漫长的。经过多年的努力，钻透坚硬岩石的目标终于可以实现了。