倒流的水滴装置制作

“倒流的水滴”这种视觉效果为人所熟知，可能是在电影《惊天魔盗团2》中的这个魔术（图1）。电影中，本来下落的雨滴在魔术师的“命令”下，竟然开始“向上”飞起来。很多观众可能以为这只不过是电影的特效而已，而实际上这却是一个真实的科学表演秀。后来央视大型科谱节目《加油！向未来》以生动有趣的方式详细地展示了该效果的现象和背后的原理，有兴趣的读者可以找来当时的节目看一看。                                             

这样一个可以让水滴“悬浮”或“倒流”的装置，非常适合爱动手的小伙伴们亲自动手来制作。

首先，制作之前需要简单了解一下它的原理。如图2，假设水滴以固定的时间间隔t（或频率f，f=1/t）从管口滴落，用一架照相机在旁边以同样的时间间隔t给它拍照，我们会发现每张照片上，水滴都停留在同一高度，而实际上和上一张照片相比，水滴1正好到了水滴2的位置，水滴2到了水滴3的位置……如果把滴水的装置放在一个全黑的屋子里，用一个闪光灯每隔时间t闪一下，则旁边的人会看到同样的效果；当t足够小，即闪光灯的频率足够高，人眼由于视觉暂留效应而无法分辨灯光的频闪时，就会产生一种水滴悬浮的假象。如果闪灯的时间间隔比水滴的间隔t略小一点点，则水滴1会在快要到达现在水滴2的位置前被看见，给人的感觉就像是水滴2往上移了一点，从而造成“倒流的效果”。另外，如果闪光灯的间隔是t/2，则能看到悬浮水滴的数量会加倍。

(资料图片仅供参考)

了解了装置的原理后，下面分两步来完成本制作。

一、可调频率的闪光灯

因为闪光灯的频率要与水滴的频率配合才能产生效果，而水滴的频率控制相对较难，所以这里选择调整灯的闪烁频率。制作可调频率的闪光灯（下称频闪灯）的关键，是产生一个可调频率的信号。这里提供两种选择：使用现成的PWM信号发生器模块（类似图3的模块），或用单片机编程来实现。前者的优点是简单便捷、成本较低，而后者比较考验动手能力，不过一旦制作完成，它的调节会更直观、方便。

这里给出一种通过Arduino编程来实现频闪灯的方法。如图4所示，需要用到一块Arduino Nano开发板、LCD1602液晶显示屏、带按键的旋转编码器、100K可调电阻、无源蜂鸣器（可选）。在Arduino Nano开发板中刷入文末提供的程序，然后按图5连接好电路，图中VCC实为同一5V直流电源，调节100K可调电阻的阻值大小，使液晶屏显示清晰。

通电后，显示屏第一行显示输出信号的频率，默认为60Hz；第二行显示调节的步长，默认步长为1，如图6所示。通过顺时针或逆时针旋转右边旋转编码器就可以按相应的步长改变输出信号频率，按下编码器则可以在0.1、1.0、10之间切换调节的步长。由于水滴的频率不可能很高，所以程序设定的可调范围在1~200Hz之间，精度为0.1Hz，超出调节范围会引发蜂鸣器。程序会在Nano板的A0~A7端口发出相同的占空比为1/50的脉冲信号，有需要的读者也可以自己修改，源代码对各参数都有详细注释。

这里用到的旋转编码器是一种可实现数字精确调节的器件，其外部引脚与内部示意图如图7所示。当旋钮静止时，K2和K3同时处于打开或闭合状态。若K2和K3处于打开状态，则顺时针旋转旋钮一小格，K2和K3都将变成闭合状态，只不过K3会先于K2闭合；再顺时针旋转一小格，K2和K3又会变成打开状态，K3仍先于K2打开。如果旋扭是逆时针方向旋转，则K2会先于K3打开或闭合。K2和K3状态改变先后的时间差非常小，通常只有通过单片机中断或高速查询来判断，从而确定旋转的方向。本文提供的程序用到了查询的方式。

有了信号，接下来就需要用它来驱动灯光闪烁。实现的途径有很多，这里给出一种用S8050三极管驱动白光LED的简单方法。如图8所示，要根据所用LED的实际参数来选择合适的限流电阻R2和供电电源，这里选用的白光LED功率0.5W，工作电压3~5V，可以和上面的电路共用一个5V的电源。该方案只适合小功率LED，如果装置比较大，则需要更明亮的灯光，这时可考虑通过大功率的MOS管来驱动。

最后，找一个合适大小的盒子，把整个装置装入其中，如图9，在三颗白光LED中间开孔以便水滴向下落入盒子内的蓄水槽。盒子内部如图10所示。

二、滴水装置

接下来要产生稳定的水滴，它的实现方式也是五花八门，但都可以归为两类：只靠重力自由下落的无动力型和有水泵驱动的循环动力型。前者结构简单，但需要手动倒水，无法长时间连续工作，而且水滴的频率也会因为水面高度的变化有所波动；后者克服了前者的所有缺点，但是加入机械水泵后，需要控制流速、滴落高度等问题，实现起来较为复杂。

这里遵循一切从简的原则，以最简单的方式来实现所需的功能，目的是降低制作的门槛，读者可以根据自身条件设计制作出更美观的作品来。

首先，下落的水滴频率要相对稳定。这就要求上面的蓄水槽是扁平状的，这样随着水的减少，水面高度变化不会太大，出水口的压强就相对稳定。

其次，为了达到较好的效果，水滴要尽量形成大颗粒。这通常可以通过增大滴水管的管径来实现，但管径一增加，水流就会呈连续状，不容易形成离散的水滴，如图11，所以要采用上窄下宽的管形，上面窄的部分保证较小的水流量，下面粗宽的部分使水滴汇聚变大后再滴落。总的水流量还与设计的下落距离有关，较大的装置可以允许较长的下落距离，这样水流量可以大一些。

最后，水滴需要屏蔽环境光线，只在频闪灯的照射下才能呈现效果。但这样的条件在很多时候是无法实现的，所以为了在普通环境下也能有不错的效果，需要给水滴加一个光线屏蔽罩。如图12，用一个1.5L的饮料瓶剪出一个圆柱，四周贴上铝箔胶带，只留出一条较窄的观察窗。如果高度不够，可以用两个瓶子拼接成一个更高的圆柱。

这样，一个“水滴倒流”的装置就完成了。给上面的蓄水槽倒上水，打开频闪灯，再慢慢调节频闪灯的频率接近水滴的频率（或者是后者的倍数），就可以看到水滴“悬浮”或“倒流”的效果了。

本文原载于《无线电》2021 第2期  为本人原创。

装置视频演示：

文中涉及代码分享：

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