Неустойчивый оборот

В 2022 году Виржиль Тьевена и Альбан Соре провели эксперимент. Из смеси воды и глицерина ученые сделали тонкий капиллярный мостик, который держался между двух стержней, — фактически это была застывшая струйка жидкости. Один из стержней был неподвижен, а второй ученые присоединили к растянутой пружине. Когда пружину отпустили, стержень стал подниматься, а струя воды — растягиваться. Постепенно она истончилась и в какой-то момент раздробилась на отдельные капли.

Если в смеси было больше глицерина, струя долго-долго растягивалась, пока в какой-то момент на ней сразу в нескольких местах не появились утолщения, которые постепенно росли. В итоге они превращались в отдельные капли, и струя распадалась.

Когда в жидкости было меньше глицерина, она вела себя немного иначе: практически сразу отрывалась от стержней и повисала в воздухе. На одном из концов формировалось утолщение, которое запускало по струйке волну, и через какое-то время струя распадалась на капли, даже несмотря на то, что ее уже никто не тянул.

В этот момент поведением жидкости управляли несколько явлений: внутри струи — вязкое течение, вдоль границы ее сжимало поверхностное натяжение, а на весь объем действовала сила тяжести. Из-за чего струя потеряла устойчивость и распалась на капли?

Учтите, что изображение ниже повернуто на 90 градусов: на нем верх — слева, а низ — справа.

В 2011 году Харунори Ёшикава и Хосе Вестфрид провели эксперимент. В цилиндрический сосуд в два слоя они налили две несмешивающиеся жидкости: снизу — воду, сверху — силиконовое масло. И стали вращать верхнюю стенку цилиндра вокруг своей оси, прокручивая тем самым нижнюю жидкость относительно верхней. Причем не просто крутить, а менять туда-сюда направление вращения (от 6 до 360 раз в минуту).

В итоге на поверхности жидкости появились выпуклости, которые стали расти, а потом наклоняться вбок. Что тут происходит и кто виноват?

В 2019 году японские ученые под руководством Такахико Бана провели эксперимент. Тонкий зазор между двумя прозрачными дисками через небольшое отверстие в центре одного из дисков они заполнили жидкостью. После этого в то же самое отверстие они стали вливать другую, более вязкую жидкость, которая могла частично смешиваться с первой.

Более вязкая жидкость начала вытеснять менее вязкую, а через пару секунд она внезапно стала распадаться на отдельные капли. Когда такой же эксперимент проводили с полностью несмешивающимися или полностью смешивающимися жидкостями, никаких капель не было. Откуда они появились?

В 2022 году американские физики провели в чем-то похожий эксперимент. В почти такую же ячейку в миллиметровый зазор между двумя плоскими горизонтальными стеклянными пластинками они сначала налили более вязкую и более тяжелую жидкость, а потом в отверстие в верхней пластине стали вливать менее вязкую и менее плотную жидкость, которая постепенно вытесняла первую. Две жидкости могли смешиваться друг с другом, в результате чего возникла довольно причудливая картина. Кроме характерных пальцеобразных структур в одной из жидкостей возник мелкий узор.

Ученые пришли к выводу, что на всю эту сложную смесь надо смотреть не только сверху, но и сбоку, потому что жидкости начинают расслаиваться вдоль вертикальной оси. Что здесь вообще происходит и кто виноват?

Изображение показывает, как результат смешения жидкостей выглядел сверху. Масштабная линейка — 1 сантиметр.

В 2022 году Карола Зайферт и Альваро Марин провели такой эксперимент. На поверхность масла они капнули каплю водно-спиртовой смеси с полимерными частицами внутри. Капля стала растекаться, распадаясь при этом на отдельные маленькие капельки, которые, в свою очередь, распадались на капельки еще меньше, а те — на капельки еще меньше. После испарения полимерные частицы укладывались в нити, оставляя на поверхности масла узор (см. изображение ниже).

Физики заметили, что в зависимости от концентрации спирта распад на капли происходил с разной скоростью и на капли разного размера. Из-за чего капля смеси воды и спирта все время течет наружу и распадается на более маленькие капельки, оставляя на поверхности узор?

В 2011 году французские физики провели такой эксперимент. На кусочек полимерной мембраны треугольной формы они поместили каплю магнитной жидкости. Когда ученые стали увеличивать магнитное поле, то увидели следующую картину.

Сначала, пока поле было выключено, у мембраны загнулись углы, и она свернулась в сверток. Но при увеличении поля стали происходить странные вещи: сначала сверток превратился в пирамиду, потом магнитная жидкость стала подниматься и постепенно «выползать» из свертка наружу. И в какой-то момент вся эта система внезапно потеряла устойчивость: один из лепестков свертка внезапно встал на торец, а треугольная пирамида повернулась на бок. Понятно, что немагнитная жидкость так бы себя не повела, но из-за чего именно система потеряла устойчивость и почему сверток с жидкостью вдруг вставал дыбом?