Бельгійські фізики за допомогою високошвидкісної камери виявили, що «корона», яка формується під час розбризкуванні краплі при ударі об воду, залежить від товщини шару рідини на твердій поверхні. Падаючи на більш товсті плівки з води, краплі формували стійкі і високі «корони» бризок та краще змішувалися з рідиною у плівці, тоді як падіння на тонший шар води провокувало лише крихітний сплеск. Дослідження допоможе зрозуміти, як у печерах формуються сталагміти, пишуть вчені у Physical Review Fluids.
Падіння краплі на тонку плівку. J. Parmentier et al. / Physical Review Fluids, 2023
Навіщо вивчати бризки?
Динаміка крапель, що падають на тверді чи рідкі поверхні є ключовим компонентом найрізноманітніших явищ і технологій: від струменевого друку до того, як відбувається ерозія ґрунтів. Науковці з Льєзького університету вирішили з'ясувати, як удар краплі по дуже тонкій плівці води на твердій поверхні впливає на динаміку краплі та перерозподіл рідини. На їхню думку, таким чином можна буде змоделювати формування у карстових печерах сталагмітів — мінеральних вертикальних утворень, що наростають у ході того, як краплі води доставляють іони кальцію, стікаючи з поверхні печери.
Розподіл кальцію після кожного удару крапель є результатом балансу між розподілом іонів, що вже містилися у тонкій водяній плівці на поверхні, тими іонами, що принесе згори крапля, а також тими, що розлетяться через розбризкування. Щоб дослідити, як відбувається взаємодія водяної плівки і краплі, що падає, фізики створили установку, яка відтворює падіння крапель у печерах, та спостерігали за процесом за допомогою високошвидкісної камери.
Експериментальна установка фізиків. J. Parmentier et al. / Physical Review Fluids, 2023
Як бризкають краплі?
Науковці за допомогою голки скидали з висоти від 50 сантиметрів до 4 метрів краплі води однакового розміру (2,3 міліметра у діаметрі) на тонкі плівки води. У рамках експерименту вчені змінювали товщину плівок від 65 до 500 мікрометрів, а також число Вебера, що визначає співвідношення інерційних сил до поверхневого натягу рідини та залежить від щільності рідини, радіуса краплі, її швидкості та поверхневого натягу.
З'ясувалося, що від числа Вебера залежать лише деякі параметри «корони» бризок краплі — її форма і швидкість опадання. Тоді як висота «корони», а також змішування речовини краплі та плівки залежало від товщини останньої — що товщим був шар води, то краще речовина з краплі з ним змішається, що підтвердили експерименти з підфарбованими краплями. На плівках товщиною до 100 мікрометрів падіння краплі лишало невелику пляму фарби у місці падіння та не сприяло змішуванню.
Падіння краплі на товщу плівку. J. Parmentier et al. / Physical Review Fluids, 2023
Щодо печер, то результати спостережень науковців свідчать, що іонів кальцію накопичиться більше, якщо товщина водяної плівки на верхівці сталагміта буде більшою. Раніше це не враховувалося у моделях росту сталагмітів.
Фізика бризок
💧Британські фізики виявили, що бризки від падіння у воду кульок залежать від щільності повітря навколо
💦Американські фізики з'ясували, що цикадки бризкаються сечею у надпропульсивному режимі, що дає їм можливість економити енергію
🚽А експерименти з лазерами допомогли виявити, що змивання унітаза переносить бризки на висоту до 1,5 метра