Разница температур заставила каплю левитировать над жидкостью
Американские физики объяснили эффект кратковременной левитации холодной капли жидкости, падающей в нагретый резервуар с такой же жидкостью. С помощью экспериментального и теоретического исследования, результаты которого опубликованы в Journal of Fluid Mechanics, ученые показали, что из-за разницы температур в зазоре между каплей и поверхности возбуждаются газовые потоки, которые и задерживают слияние.
Если небольшая капля жидкости падает на поверхность точно такой же жидкости, то в большинстве случаев капля сразу же будет с ней сливаться. Однако если температуры у капли и объемной жидкости разные (например, при добавлении в горячий кофе холодного молока), то перед слиянием капля какое-то время может левитировать над поверхностью или катиться по ней. Это связано с тем, что между двумя фазами в течение какого-то времени сохраняется тонкий слой воздуха, который препятствует слиянию. Подобный эффект иногда можно наблюдать при падении холодных капель дождя на поверхность нагретого пруда.
Для более точного описания и объяснения такого эффекта американские ученые из Массачусетского Технологического Института под руководством Джона Буша (John W. M. Bush) провели управляемое падение холодных миллиметровых капель силиконового масла различной вязкости на нагретую поверхность из такого же масла, записали происходящие процессы на высокоскоростную камеру и предложили для них теоретическое объяснение. Для изучения потоков внутри капель, в некоторые из них дополнительно помещались частицы оксида титана, которые рассеивали пучок лазера и позволяли таким образом визуализировать направления течения.
Основной причиной задержки перед слиянием капли с объемной жидкостью является разница температур. При приближении капли к поверхности нижняя часть холодной капли немного нагревается, а верхняя часть горячей жидкости около поверхности вблизи капли — наоборот, охлаждается. Это приводит к локальному изменению поверхностного натяжения и возбуждению потоков внутри как объемной жидкости, так и капли из-за эффекта Марангони. Течение жидкости приводит к замедлению вытекания воздуха из зазора между двумя фазами жидкости и приводит к кратковременному подвешиванию капли над поверхностью.
В эксперименте время жизни капли в таком подвешенном состоянии над поверхностью составило от 100 миллисекунд до нескольких секунд в зависимости от вязкости используемого силиконового масла и разницы температур.
Для того, чтобы описать этот эффект количественно, ученые предложили теоретическую модель, которая связала время жизни с разницей температур между горячей жидкостью и холодной каплей. Предложенная модель предполагает, что при повышении разницы температур время жизни подвешенной капли растет, причем рост времени жизни пропорционален разнице температур в степени 2/3, что согласуется и с данными эксперимента. Кроме того, для заданной вязкости ученые смогли найти минимальную разницу температур, при которой данный эффект вообще может наблюдаться.
Подобный эффект, при котором падающая капля отскакивает от поверхности, можно наблюдать и для твердых поверхностей. Это случается при падении на нагретую поверхность за счет эффекта Лейденфроста из-за образования прослойки пара или, например, при падении капли на супергидрофобную поверхность.
Александр Дубов
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.