Физики научились предотвращать брызги

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.

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.

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.