? “倒流的水滴”這種視覺效果為人所熟知，可能是在電影《驚天魔盜團2》中的這個魔術(shù)（圖1）。電影中，本來下落的雨滴在魔術(shù)師的“命令”下，竟然開始“向上”飛起來。很多觀眾可能以為這只不過是電影的特效而已，而實際上這卻是一個真實的科學表演秀。后來央視大型科譜節(jié)目《加油！向未來》以生動有趣的方式詳細地展示了該效果的現(xiàn)象和背后的原理，有興趣的讀者可以找來當時的節(jié)目看一看。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

這樣一個可以讓水滴“懸浮”或“倒流”的裝置，非常適合愛動手的小伙伴們親自動手來制作。

首先，制作之前需要簡單了解一下它的原理。如圖2，假設(shè)水滴以固定的時間間隔t（或頻率f，f=1/t）從管口滴落，用一架照相機在旁邊以同樣的時間間隔t給它拍照，我們會發(fā)現(xiàn)每張照片上，水滴都停留在同一高度，而實際上和上一張照片相比，水滴1正好到了水滴2的位置，水滴2到了水滴3的位置……如果把滴水的裝置放在一個全黑的屋子里，用一個閃光燈每隔時間t閃一下，則旁邊的人會看到同樣的效果；當t足夠小，即閃光燈的頻率足夠高，人眼由于視覺暫留效應而無法分辨燈光的頻閃時，就會產(chǎn)生一種水滴懸浮的假象。如果閃燈的時間間隔比水滴的間隔t略小一點點，則水滴1會在快要到達現(xiàn)在水滴2的位置前被看見，給人的感覺就像是水滴2往上移了一點，從而造成“倒流的效果”。另外，如果閃光燈的間隔是t/2，則能看到懸浮水滴的數(shù)量會加倍。

了解了裝置的原理后，下面分兩步來完成本制作。

一、可調(diào)頻率的閃光燈

因為閃光燈的頻率要與水滴的頻率配合才能產(chǎn)生效果，而水滴的頻率控制相對較難，所以這里選擇調(diào)整燈的閃爍頻率。制作可調(diào)頻率的閃光燈（下稱頻閃燈）的關(guān)鍵，是產(chǎn)生一個可調(diào)頻率的信號。這里提供兩種選擇：使用現(xiàn)成的PWM信號發(fā)生器模塊（類似圖3的模塊），或用單片機編程來實現(xiàn)。前者的優(yōu)點是簡單便捷、成本較低，而后者比較考驗動手能力，不過一旦制作完成，它的調(diào)節(jié)會更直觀、方便。

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這里給出一種通過Arduino編程來實現(xiàn)頻閃燈的方法。如圖4所示，需要用到一塊Arduino Nano開發(fā)板、LCD1602液晶顯示屏、帶按鍵的旋轉(zhuǎn)編碼器、100K可調(diào)電阻、無源蜂鳴器（可選）。在Arduino Nano開發(fā)板中刷入文末提供的程序，然后按圖5連接好電路，圖中VCC實為同一5V直流電源，調(diào)節(jié)100K可調(diào)電阻的阻值大小，使液晶屏顯示清晰。

通電后，顯示屏第一行顯示輸出信號的頻率，默認為60Hz；第二行顯示調(diào)節(jié)的步長，默認步長為1，如圖6所示。通過順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)右邊旋轉(zhuǎn)編碼器就可以按相應的步長改變輸出信號頻率，按下編碼器則可以在0.1、1.0、10之間切換調(diào)節(jié)的步長。由于水滴的頻率不可能很高，所以程序設(shè)定的可調(diào)范圍在1~200Hz之間，精度為0.1Hz，超出調(diào)節(jié)范圍會引發(fā)蜂鳴器。程序會在Nano板的A0~A7端口發(fā)出相同的占空比為1/50的脈沖信號，有需要的讀者也可以自己修改，源代碼對各參數(shù)都有詳細注釋。

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這里用到的旋轉(zhuǎn)編碼器是一種可實現(xiàn)數(shù)字精確調(diào)節(jié)的器件，其外部引腳與內(nèi)部示意圖如圖7所示。當旋鈕靜止時，K2和K3同時處于打開或閉合狀態(tài)。若K2和K3處于打開狀態(tài)，則順時針旋轉(zhuǎn)旋鈕一小格，K2和K3都將變成閉合狀態(tài)，只不過K3會先于K2閉合；再順時針旋轉(zhuǎn)一小格，K2和K3又會變成打開狀態(tài)，K3仍先于K2打開。如果旋扭是逆時針方向旋轉(zhuǎn)，則K2會先于K3打開或閉合。K2和K3狀態(tài)改變先后的時間差非常小，通常只有通過單片機中斷或高速查詢來判斷，從而確定旋轉(zhuǎn)的方向。本文提供的程序用到了查詢的方式。

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有了信號，接下來就需要用它來驅(qū)動燈光閃爍。實現(xiàn)的途徑有很多，這里給出一種用S8050三極管驅(qū)動白光LED的簡單方法。如圖8所示，要根據(jù)所用LED的實際參數(shù)來選擇合適的限流電阻R2和供電電源，這里選用的白光LED功率0.5W，工作電壓3~5V，可以和上面的電路共用一個5V的電源。該方案只適合小功率LED，如果裝置比較大，則需要更明亮的燈光，這時可考慮通過大功率的MOS管來驅(qū)動。

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最后，找一個合適大小的盒子，把整個裝置裝入其中，如圖9，在三顆白光LED中間開孔以便水滴向下落入盒子內(nèi)的蓄水槽。盒子內(nèi)部如圖10所示。

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二、滴水裝置

接下來要產(chǎn)生穩(wěn)定的水滴，它的實現(xiàn)方式也是五花八門，但都可以歸為兩類：只靠重力自由下落的無動力型和有水泵驅(qū)動的循環(huán)動力型。前者結(jié)構(gòu)簡單，但需要手動倒水，無法長時間連續(xù)工作，而且水滴的頻率也會因為水面高度的變化有所波動；后者克服了前者的所有缺點，但是加入機械水泵后，需要控制流速、滴落高度等問題，實現(xiàn)起來較為復雜。

這里遵循一切從簡的原則，以最簡單的方式來實現(xiàn)所需的功能，目的是降低制作的門檻，讀者可以根據(jù)自身條件設(shè)計制作出更美觀的作品來。

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首先，下落的水滴頻率要相對穩(wěn)定。這就要求上面的蓄水槽是扁平狀的，這樣隨著水的減少，水面高度變化不會太大，出水口的壓強就相對穩(wěn)定。

其次，為了達到較好的效果，水滴要盡量形成大顆粒。這通?？梢酝ㄟ^增大滴水管的管徑來實現(xiàn)，但管徑一增加，水流就會呈連續(xù)狀，不容易形成離散的水滴，如圖11，所以要采用上窄下寬的管形，上面窄的部分保證較小的水流量，下面粗寬的部分使水滴匯聚變大后再滴落?？偟乃髁窟€與設(shè)計的下落距離有關(guān)，較大的裝置可以允許較長的下落距離，這樣水流量可以大一些。

最后，水滴需要屏蔽環(huán)境光線，只在頻閃燈的照射下才能呈現(xiàn)效果。但這樣的條件在很多時候是無法實現(xiàn)的，所以為了在普通環(huán)境下也能有不錯的效果，需要給水滴加一個光線屏蔽罩。如圖12，用一個1.5L的飲料瓶剪出一個圓柱，四周貼上鋁箔膠帶，只留出一條較窄的觀察窗。如果高度不夠，可以用兩個瓶子拼接成一個更高的圓柱。

這樣，一個“水滴倒流”的裝置就完成了。給上面的蓄水槽倒上水，打開頻閃燈，再慢慢調(diào)節(jié)頻閃燈的頻率接近水滴的頻率（或者是后者的倍數(shù)），就可以看到水滴“懸浮”或“倒流”的效果了。

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本文原載于《無線電》2021 第2期? 為本人原創(chuàng)。

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