Физики научились бороться с брызгами

Физики из Франции и Великобритании выяснили, как на вероятность образования брызг при падении капли жидкости на поверхность влияет жесткость этой поверхности. Работа дает ученым инструмент для создания брызгогасящих поверхностей для работы с опасными препаратами и веществами. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Physics.

Течение вязкой жидкости, в том числе и растекание капли, описывается уравнениями Навье-Стокса. Для этих уравнений не найдено решения в общем случае, а само его существование и гладкость — одна из задач тысячелетия. Из-за этого трудно теоретически моделировать различные процессы в жидкостях. Поэтому многие явления обнаруживаются и описываются в первую очередь экспериментально. К примеру, недавно физики выяснили, что капли вязкой жидкости, растекаясь в менее вязких жидкостях, принимают форму «котелка».

С растеканием капли связан и другой, гораздо более известный процесс — образование брызг. При падении капли на поверхность с достаточно большой скоростью происходит разбрызгивание. Этот побочный процесс может быть опасен в том случае, если речь идет не о капле воды или краски, а о других, более токсичных жидкостях.

Авторы новой работы провели серию экспериментов, чтобы выяснить, в каких условиях можно подавить разбрызгивание и какие процессы за это отвечают. Ученые бросали капли этанола на поверхности с различной упругостью и следили за их поведением с помощью высокоскоростной камеры. Физики сравнивали между собой жесткий акриловый пластик (с высоким модулем Юнга, около трех гигапаскаль) и различные силиконовые гели (модуль Юнга от 5,5 до 430 килопаскаль). Капли развивали к моменту падения скорость от двух до девяти метров в секунду, в зависимости от высоты, с которой они падали.

Оказалось, что при снижении жесткости поверхности увеличивалась минимальная высота, при которой наблюдалось разбрызгивание. Так, в случае наименее жесткого силиконового геля этот параметр составлял 55 сантиметров, в то время как для жесткого акрилового пластика — всего 29 сантиметров. Физики провели численное компьютерное моделирование для того, чтобы выяснить причину этого эффекта.

В момент сближения капли с поверхностью возникает тормозящее усилие — его вызывает сжимающийся слой воздуха, оставшийся между поверхностью и каплей. Оно становится источником давления, сплющивающего нижнюю поверхность капли и увеличивающего площадь ее будущего контакта с поверхностью. Затем давление перераспределяется к краям капли — прослойка воздуха стремится покинуть пространство между каплей и поверхностью. Максимальное давление достигается на краях, оно и ответственно за разбрызгивание капель.

Ученые выяснили, что снизить пиковую величину давления удается за счет деформации поверхности в первые 30 миллисекунд после падения капли. Хотя эта деформация поглощает лишь сотые доли кинетической энергии всей капли, она значительно влияет на тонкую прослойку воздуха, снижая скорость ее выброса из под капли. По словам авторов, это позволяет разработать новые виды покрытий, предотвращающих разбрызгивание. Для гашения брызг при характерной высоте падения капель в несколько миллиметров подойдут гели с широким диапазоном свойств.

Ранее физики изучали и другие аспекты поведения капель жидкостей. Так, ученые из Принстонского университета следили за высыханием капель виски (при этом возникают необычные узоры) и предложили новую методику для создания равномерных покрытий. Другая группа физиков обнаружила три сценария замерзания капель воды, а недавно исследователи выяснили, почему капли жидкости двигаются на гелях скачкообразно.