Физики научились предотвращать брызги

Международная группа ученых обнаружила, что вероятность образования брызг при падении капли жидкости связана с жесткостью поверхности. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

2 192

В физике движение вязкой ньютоновской жидкости, в том числе ее разбрызгивание, описывается уравнениями Навье-Стокса. Общего решения для этих уравнений не найдено — поиск решения относится к задачам тысячелетия, — что затрудняет теоретическое моделирование различных процессов в жидкостях. В результате многие такие процессы описываются экспериментально. Так, ранее ученые впервые зафиксировали все этапы осушки жидкости с помощью диэлектрического смачивания.

 

Анализ разбрызгивания жидкостей важен с точки зрения безопасности. Наряду с нетоксическими феномену подвержены токсические жидкости — для предотвращения таких происшествий ученым необходимо понимать механизмы разбрызгивания в тех или иных условиях и возможные способы его подавления.

 

В новой работе исследователи провели серию соответствующих экспериментов. Авторы бросали капли этанола на поверхности с разной упругостью и фиксировали процесс на высокоскоростную камеру. В качестве материала поверхности выступали — акриловый пластик (с высокой упругостью — около 3 гигапаскаль) и силиконовые гели (с низкой упругостью — 5,5–430 килопаскаль). На момент падения капли развивали скорость 2–9 метров в секунду в зависимости от высоты.

 

Кадры, сделанные для капель этанола, которые падали с одинаковой высоты на разные поверхности. Снимки сделаны спустя 350 миллисекунд после падения. / © Christopher J. Howland et al.

 

Результаты показали, что при снижении упругости поверхности минимальная высота, при которой наблюдалось разбрызгивание, увеличивалась. Так, для разбрызгивания наименее жесткого геля требовалась высота 55 сантиметров, для пластика — 29 сантиметров. С помощью компьютерного моделирования физики выяснили, что явление связано с давлением на жидкость воздуха. При сближении капли с поверхностью между ними образуется воздушная подушка, которая сплющивает каплю и, как следствие, увеличивает площадь ее контакта. Затем давление концентрируется у краев капли — именно оно ответственно за разбрызгивание.

 

График давления воздуха на капли в зависимости от времени. Стрелками указаны момент максимального давления и разбрызгивания (на пике). / © Christopher J. Howland et al.

 

По мнению ученых, снизить пиковое давление возможно путем деформации поверхности в первые 30 миллисекунд после падения капли. Хотя такая деформация поглощает сотые доли кинетической энергии, она позволяет значительно снизить скорость выброса воздушной прослойки из-под жидкости. С этой целью, по словам авторов, могут использоваться новые виды покрытий, например гели с широким диапазоном свойств.

 

Падение капли на силиконовый гель (без разбрызгивания) и на акриловый пластик. / © Christopher J. Howland et al.
2 192

Подпишись на нашу рассылку лучших статей за неделю.

Загрузка...
Загрузка...

Комментарии

Plain text

  • Разрешённые HTML-теги: <br/>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.
  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии