Физики научились стрелять каплями из супергидрофобной «катапульты»

Французские физики изучили, как ведет себя капля, запущенная в воздух колебательным движением супергидрофобной поверхности. Оказалось, что за счет деформации капли в процессе «выстрела» ее максимальная скорость во время полета может быть увеличена в два с половиной раза. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Исследование поведения капель на супергидрофобных поверхностях привлекает внимание исследователей уже более 15 лет. Супергидрофобность основана на сочетании гидрофобных свойств поверхности с ее шероховатостью. В результате такого сочетания капля практически перестает смачивать поверхность и остается лежать на ней в форме шарика. Это приводит к достаточно интересным особенностям поведения в такой системе. Например, капли воды очень легко скатываются с поверхности, а при падении — могут от нее отскакивать. Уже сейчас такие поверхности используются, например, для создания несмачивающихся покрытий для одежды или ветровых стекол автомобилей.

В своем новом исследовании французские физики изучили поведение капли в процессе «выстреливания» ее с супергидрофобной поверхности, которая совершает вертикальные колебательные движения. В своих экспериментах ученые использовали поверхность, полученную электрополимеризацией и покрытую после этого гидрофобной пленкой. На нее помещали водные капли размером от 800 микрон до 1,5 миллиметров, после чего возбуждали ее колебательное движение с частотой от 20 до 70 герц. Во время первого периода колебаний резкая смена направления скорости приводила к отрыву капли от поверхности — такое движение аналогично «выстрелу» капли из катапульты. Последующее движение (траектория и динамика изменения формы) капли записывались с использованием высокоскоростной камеры (от 500 до 5000 кадров в минуту).

Проанализировав полученные видеозаписи, физики определили скорость подложки в момент «выстрела», время отрыва капли от поверхности, а также частоту собственных колебаний и максимальную скорость капли в процессе полета. Оказалось, что, в отличие от твердых недеформируемых частиц, для которых максимальная скорость равна скорости поверхности в момент отрыва, для капель максимальная скорость может превышать ее практически в два с половиной раза. Это связано с тем, что во время запуска капля успевает деформироваться, и ее отрыв от поверхности происходит в сильно деформированном состоянии. В процессе полета запасенная в результате этого энергия преобразуется в кинетическую, и, соответственно, максимальная скорость капли растет. Кроме того, ученые отметили, что зависимость отношения максимальной скорости к скорости отрыва от частоты «колебательной катапульты» имеет характерный максимум. Интересно, что в отличие от классических резонансных явлений, максимум наблюдался не при равенстве частоты колебаний поверхности и частоты собственных колебаний капли, а в том случае, если отношение частот составляло около трех.

Аналогичное поведение физики также заметили у упругих мягких шариков таких же размеров, но состоящих из гидрогеля. Как ни странно, несмотря на то, что их форма во время полета претерпевает значительно меньшие деформации, динамика их полета очень похожа на динамику водных капель, и максимальная скорость тоже сильно превышает скорость в момент отрыва. В обоих случаях динамика определяется деформацией капли (или шарика) в момент запуска. Но если в случае капли воды она определяется силами поверхностного натяжения, то в случае шариков из гидрогеля — его упругими свойствами.

По словам ученых, полученные результаты помогут усовершенствовать баллистические устройства, чтобы более эффективно управлять полетом снарядов, изменяя их упругие свойства. Раньше мы писали про более традиционные способы использования супергидрофобных поверхностей, например для охлаждения процессоров или очистки поверхности от воды.

Александр Дубов