Физики объяснили механизм распада капли на брызги при столкновении с поверхностью

Американские физики разработали модель распада тонкой пленки жидкости на отдельные капли, которая учитывает зависимость ее ускорения от времени. Такая пленка образуется, например, при столкновении капли жидкости с твердой поверхностью. Предложенные результаты удалось подтвердить экспериментально с помощью высокоскоростной съемки разбрызгивания капель различных жидкостей, пишут ученые в статье в Physical Review Letters.

При контакте с поверхностью многие большие капли жидкости распадаются на значительно более маленькие отдельные капельки. При этом такое разбрызгивание может происходить не только после падения капли на поверхность с большой скоростью, но и в более спокойных условиях (например, даже если капля просто лежит на поверхности другого химического состава). Процесс формирования мелких брызг очень важен с точки зрения многих процессов химической технологии, основанных на работе с аэрозолями, а также для предотвращения распространения токсичных жидкостей или при исследовании процессов передачи болезней воздушно-капельным путем. В качестве одного из способов гашения брызг ученые предлагают, например, подбирать поверхности с нужными механическими свойствами.

Количество и форма брызг, а также скорость их образования, связаны с процессом развития гидродинамических неустойчивостей на границе между жидкостью и газом. Чаще всего отделение небольших капелек от объемной жидкости определяется неустойчивостями двух типов: Релея — Плато или Релея — Тейлора. В первом случае происходит распад очень тонкой струи на капли за счет стремления к уменьшению поверхностной энергии, а во втором важную роль при отрыве капелек играет еще и сила тяжести.

Как правило, теоретические работы рассматривают развитие двух этих типов неустойчивостей только в стационарном режиме, то есть в таких системах, в которых конфигурация не зависит от времени. Американские физики из Массачусетского технологического института под руководством Лидии Буруйба (Lydia Bourouiba) с помощью комплексного теоретического и экспериментального исследования показали, что в случае распада на брызги падающей на твердую поверхность капли очень важно учитывать еще и возможную нестационарность системы. Авторы работы отмечают, что при столкновении капли жидкости с твердой поверхностью сначала происходит образование радиально симметричной пленки в форме конуса, и именно нестационарное развитие этой пленки может приводить к развитию неустойчивостей и распаду на отдельные капли.

Для проведения эксперимента ученые использовали высокоскоростную камеру, с помощью которой исследовали процесс столкновения капель нескольких жидкостей с различными типами поверхностей (твердых и жидких), которые отличались друг от друга по упругим свойствам, расстоянию от точки падения до края, химическому составу и шероховатости. При этом в зависимости от свойств жидкости формируется конусообразный слой, который потом может распадаться на отдельные капли или нет.

Оказалось, что во всех случаях, когда жидкость можно рассматривать как идеальную, происходит образование неравномерной по толщине пленки. Эта неравномерность связана с нестационарностью системы и определяется равновесием между инерционными силами и силой поверхностного натяжения в каждой точке пленки в каждый момент времени. Из-за неоднородности толщины пленки жидкость в ней двигается под действием сил инерции, трения и поверхностного натяжения таким образом, что неоднородность толщины растет, что в конечном итоге и приводит к образованию брызг.

Физики отмечают, что предложенная ими модель хорошо описывает распад в нестационарных условиях небольших капель ньютоновских жидкостей и даже некоторые неньютоновские жидкости, в которых вязкость зависит от скорости тока жидкости. По словам авторов, разработка такой универсальной модели поможет описать многие нестационарные процессы, которые происходят с жидкостями в технологических и природных условиях, в том числе связанные с движением капель. В ближайшее время предложенную модель ученые собираются более детально изучить для вязких и вязкоупругих жидкостей.

Интересные эффекты можно наблюдать не только при падении капель на твердую поверхность, но и при столкновении с жидкостью. Например, недавно другая группа американских гидродинамиков исследовала процесс падения на поверхность воды струи, состоящей из отдельных капель и показала, что при определенных условиях в жидкости может происходить образование необычной полости, состоящей из большого числа связанных между собой секций.

Александр Дубов