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