Дощ і лужи: Фізика падаючої води

Зіткнення з поверхнею не змінює форму краплі

Мультфільми малюють краплі дощу як сльози, але справді падаючі краплі дощу не мають такої форми. Маленька крапля, утримувана поверхневим натягом, спочатку має приблизно кубічну форму. Коли вона падає швидше та стає більшою, повітряний опір тисне на її нижню частину та вирівнює її, роблячи її схожою на бублик — округлою зверху та плоскою знизу — і краплі розміром більше 4–5 міліметрів повністю розпадаються на менші краплі через нестабільність, тому справді великі краплі дощу не зустрічаються в природі.

Падаюча крапля швидко досягає термінальної швидкості — швидкості, при якій сила повітряного опору точно балансує тягу гравітації, отже, прискорення зупиняється та падає з постійною швидкістю протягом усього свого шляху. Термінальна швидкість залежить від розміру краплі: тонкий туманний краплю може падати приблизно менше ніж 1 метр на секунду, а велика крапля дощу, яка має кілька міліметрів у діаметрі, може досягати близько 9 метрів на секунду (приблизно 32 км/год) — тому більш сильний дощ, що складається з більших крапель, потрапляє на дах голосніше.

terminal velocity: the speed where drag force = gravitational force

drag force (turbulent regime)  ≈  ½ · ρ_air · v² · Cd · A
weight                          =  m · g

at terminal velocity: drag force = weight, so acceleration = 0

Waves: disturbances spreading from a point

When a raindrop hits a puddle, it displaces water at the impact point, and that disturbance spreads outward as a circular wave — a ripple ring — carrying energy away from the impact without carrying the water itself very far outward (each bit of water mostly moves up and down as the wave passes through it, not sideways with it). The ring expands because the disturbance at its leading edge continuously excites the still water just ahead of it, passing the wave onward, while the water behind it settles back down. Multiple raindrops striking a puddle in quick succession create overlapping rings that pass through each other unchanged wherever they cross — a property called superposition, the same principle that lets sound waves and light waves pass through each other without disturbing one another.

Clouds: how the water gets up there in the first place

Rain begins as water vapour that has condensed into tiny liquid droplets inside a cloud, usually around microscopic airborne particles like dust, pollen or sea salt that act as condensation nuclei — surfaces that make it much easier for water molecules to cluster together than starting from nothing. Individual cloud droplets are far too small and light to fall as rain on their own; they only become rain once they collide and merge with enough other droplets (a process called coalescence) to grow heavy enough that gravity finally overcomes the updrafts and air resistance holding them aloft.

Four kinds of rain, one underlying physics

Drizzle consists of many small, slow-falling droplets (typically under half a millimetre) that barely disturb a puddle's surface. Ordinary rain has larger, faster drops producing clearly visible ripple rings. A storm combines large drop size with high volume and often strong wind, driving rain sideways as much as down. Sunny rain — rain falling while the sun is still shining, often from a passing shower at a distance — is meteorologically identical falling water physics; what makes it distinctive is simply that the rain cloud hasn't yet blocked the sun from the observer's position, and the combination can produce a rainbow if the sunlight refracts and reflects through the falling drops at the right angle relative to the viewer.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Rain & Puddles і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.