Загадка «левитирующей» капли раскрыта
Научное объяснение того, как капли могут «левитировать» над жидкой поверхностью.
Пара летящих капель холодных сливок в горячий кофе может проделать долгий путь, прежде чем улучшит ваше утро.
Но что будет, если две жидкости не смешаются?
Ученые из Массачусетского технологического института(МТИ) объяснили, почему при определённых условиях капля жидкости не сливается с жидкой поверхностью под ней. Если капля очень холодная, а поверхность горячая, то капля будет «левитировать» благодаря потокам, индуцированным разницей температур.
Результаты проделанной работы, были опубликованы в «Журнале научного профиля в области механики» (Journal of Fluid Mechanics), где даётся детальное, математическое объяснение слияния капли. Этот феномен мы можем наблюдать практически каждый день, начиная от молока налитого в кофе, до капель дождя прыгающих по лужам.
Мишель Джери (Michela Geri), аспирант кафедры машиностроения МТИ и ведущий автор исследования утверждает, что основываясь на новой теории, инженеры смогут определить, какая начальная критическая разница температур нужна, чтобы поддерживать каплю в раздельном состоянии с жидкой поверхностью и какой максимальный вес возможен для поддержания летящей капли в состоянии «левитации».
Соавторами Джери является Бэвэнд Кешэварз (Bavand Keshavarz), преподаватель машиностроения, Джон Буш (John Bush), профессор прикладной математики в МТИ, и Гарет Маккинли, профессор по инновациям в инженерной школе (School of Engineering Professor of Teaching Innovation).
Воодушевляющий эксперимент
Результаты эксперимента появились в итоге вопроса, который Джон Буш, задал в своем курсе для аспирантов: Почему разница температур играет роль в слиянии капли с жидкой поверхностью?
Джери, как раз изучавшая курс, приняла вызов и провела серию экспериментов в лаборатории МакКинли.
Она сделала маленькую коробочку, размером с кофейную чашку с акриловыми стенками и металлическим дном, которую помещала на горячую или холодную поверхность. Затем Джери заполнила её силиконовым маслом, а чуть выше поверхности установила шприц, из которого выдавливала капли силиконового масла такой же вязкости.
В каждой серии экспериментов она выставляла температуру горячей/холодной поверхности и измеряла температуру масла.
Джери использовала высокоскоростную камеру для записи каждой капли со скоростью 2000 кадров в секунду, с момента, как капля отрывалась от шприца до полного смешивания её с поверхностью. Она выполнила этот эксперимент с силиконовыми маслами различной вязкости, начиная от жидких, как вода, заканчивая маслами в 500 раз гуще.
Ей удалось обнаружить, что капля «левитировала» над поверхностью, когда температурный градиент между двумя жидкостями увеличивался. Джерри смогла заставить каплю «левитировать», отсрочив время слияния, вплоть до 10 секунд, поддерживая разницу температур до 30⁰C (86⁰F), что сравнимо с разницей температур холодного молока и горячего кофе.
Капля силиконового масла «левитирует» над поверхностью жидкости.
Джери сопоставила полученные данные и обнаружила, что время пребывания капли над жидкой поверхностью зависит от первоначальной разницы температур двух жидкостей в степени 2/3. Она также отметила, что существует критическая разница температур, при которой капля определённой вязкости не будет смешиваться, а наоборот будет «левитировать» над поверхностью жидкости.
Джери сказала, что они заметили эту взаимосвязь ещё в лаборатории, а затем попытались выработать теорию в надежде рационализировать эту зависимость.
Характер подушки
Сначала команда учёных охарактеризовала слой воздуха, разделяющий каплю от жидкой поверхности. Согласно гипотезе исследователей, разница температур двух жидкостей может влиять на эту воздушную подушку, которая в свою очередь удерживает каплю на плаву.
Чем больше эта разность, тем более сильные воздушные потоки и большее давление будет противостоять весу капли и все приведёт к тому, что капля вступит в контакт с жидкой поверхностью.
Соединение капли сливок с горячим кофе.
Сила, создаваемая весом капли и сила, создаваемая рециркулирующими потоками в воздушной прослойке, могут быть уравновешены. Для достижения этого состояния необходима минимальная или критическая разница температур, которая заставит каплю «левитировать».
Внутри капли
Далее команда учёных искала математическое объяснение того, почему они наблюдали соотношение 2/3 между временем левитации капли и начальной разницей температур этих жидкостей.
Чтобы осуществить задуманное, исследователи приспособили другую систему уравнений, которая описывает смешивание двух жидкостей. Они получили возможность охарактеризовать, как теплая часть жидкости смешалась с согретой, со временем, частью капли.
Визуализация завихрений в капле силиконового масла над теплой жидкой поверхностью. Разница температур создает рециркуляционный поток, который хорошо виден благодаря сиянию зеленого лазера на флуоресцентных частицах, добавленных в каплю в качестве пассивных индикаторов.
Посредством этого моделирования учёные смогли увидеть, как разница температур двух жидкостей уменьшается со временем, до точки, пока капля не прекратит «левитировать» и в конечном счете сольется с поверхностью жидкости.
Полученные результаты могут быть использованы для описания взаимодействия химических и биологических веществ, распространяемых каплями дождя и брызгами. Темпы смешения этих веществ будут зависеть от того, как долго капля будет оставаться на плаву перед слиянием.
Теперь мы знаем, что это зависит от температуры, и мы определенно можем сказать, как капля «левитирует», - заявил Буш.