Американские физики разработали модель распада тонкой пленки жидкости на отдельные капли, которая учитывает зависимость ее ускорения от времени. Такая пленка образуется, например, при столкновении капли жидкости с твердой поверхностью. Эти данные позволят более детально моделировать поведение различных химических жидкостей, например, аэрозолей.
Об этом сообщается в статье Physical Review Letters.
Предложенные результаты удалось подтвердить экспериментально с помощью высокоскоростной съемки разбрызгивания капель различных жидкостей.
При контакте с поверхностью многие большие капли жидкости распадаются на значительно более маленькие отдельные капельки. При этом такое разбрызгивание может происходить не только после падения капли на поверхность с большой скоростью, но и в более спокойных условиях (например, даже если капля просто лежит на поверхности другого химического состава). Процесс формирования мелких брызг очень важен с точки зрения многих процессов химической технологии, основанных на работе с аэрозолями, а также для предотвращения распространения токсичных жидкостей или при исследовании процессов передачи болезней воздушно-капельным путем. В качестве одного из способов гашения брызг ученые предлагают, например, подбирать поверхности с нужными механическими свойствами.
Количество и форма брызг, а также скорость их образования, связаны с процессом развития гидродинамических неустойчивостей на границе между жидкостью и газом. Чаще всего отделение небольших капелек от объемной жидкости определяется неустойчивостями двух типов: Релея — Плато или Релея — Тейлора. В первом случае происходит распад очень тонкой струи на капли за счет стремления к уменьшению поверхностной энергии, а во втором важную роль при отрыве капелек играет еще и сила тяжести.
Как правило, теоретические работы рассматривают развитие двух этих типов неустойчивостей только в стационарном режиме, то есть в таких системах, в которых конфигурация не зависит от времени. Американские физики из Массачусетского технологического института под руководством Лидии Буруйба (Lydia Bourouiba) с помощью комплексного теоретического и экспериментального исследования показали, что в случае распада на брызги падающей на твердую поверхность капли очень важно учитывать еще и возможную нестационарность системы. Авторы работы отмечают, что при столкновении капли жидкости с твердой поверхностью сначала происходит образование радиально симметричной пленки в форме конуса, и именно нестационарное развитие этой пленки может приводить к развитию неустойчивостей и распаду на отдельные капли.
Для проведения эксперимента ученые использовали высокоскоростную камеру, с помощью которой исследовали процесс столкновения капель нескольких жидкостей с различными типами поверхностей (твердых и жидких), которые отличались друг от друга по упругим свойствам, расстоянию от точки падения до края, химическому составу и шероховатости. При этом в зависимости от свойств жидкости формируется конусообразный слой, который потом может распадаться на отдельные капли или нет.