Физики разобрались с точением камня водой

Физики из США и Чили с помощью техники высокоскоростной стресс-микроскопии детально исследовали то, что происходит с поверхностью, на которую падает капля несжимаемой жидкости. Оказалось, что пространственно-временные профили механических напряжений, возникающее при этом, существенно отличаются от таковых при ударе твердых шариков. Выявленные учеными особенности объясняют причины характерной эрозии и разрушения поверхностей, на которые долго капает вода. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Достаточно длинная последовательность ударов капель воды о каменную поверхность приводит к ее эрозии и разрушению. На этот факт обратил внимание еще Лао-Цзы в V веке до нашей эры, и с тех пор этот процесс стал метафорой целеустремленности и настойчивости во многих культурах. Помимо своего философского значения, последствия ударов капель актуальны для широкого круга природных, экологических и инженерных процессов, включая эрозию почв, сохранение объектов наследия, износ лопастей ветряных и паровых турбин и так далее.

И если механизм повреждения твердых поверхностей под ударом сжимаемых капель, летящих со скоростями несколько сотен метров в секунду, физикам известен достаточно хорошо, то понимание ударной эрозии от низкоскоростных несжимаемых капель, которое имеет место в большинстве естественных случаев, находится в зачаточном состоянии. Множество имеющихся сегодня данных получено с помощью высокоскоростной съемки, а потому позволяют судить лишь о кинематике капли. Исследования же, которые изучали динамические свойства этого процесса, обладали недостаточным пространственно-временным разрешением, чтобы однозначно выявить причины эрозии.

Сян Чэн (Xiang Cheng) из Университета Миннесоты с коллегами из США и Чили смогли преодолеть существующие ограничения и разобраться в деталях того, какие именно динамические процессы вызывает небольшая капля воды, ударяющаяся о твердую поверхность. С помощью техники высокоскоростной стресс-микроскопии они изучили то, как распространяется напряжение по поверхности и глубине, и сравнили его с эффектами от падения стального шарика. Оказалось, что жидкая капля воздействует на подложку принципиально иным и сложным образом.

Идея метода заключается в изготовлении твердой подложки из полидиметилсилоксана с примесью флуоресцирующих частиц полистирола диаметром 30 микрометров. Физики формировали в подложке из лазерного луча световую плоскость, которая была перпендикулярна поверхности и проходила строго через середину падающих на нее капель. Наблюдая за свечением микрочастиц сбоку с помощью высокоскоростной камеры, они могли фиксировать их смещение с частотой 40000 кадров в секунду. Само смещение обрабатывал корреляционный алгоритм, позволявший достигнуть пространственного разрешения в 115 микрометров.

Для создания капель авторы готовили водный раствор йодида натрия. Система подачи капель была устроена таким образом, чтобы их диаметр был равен 3,49 миллиметра, а скорость у поверхности — 2,97 метра в секунду. Для сравнения физики бросали на образец стальные шарики диаметром 3,16 миллиметра и скоростью 0,49 метра в секунду. Для сокращения ошибок данные с микроскопа усреднялись дважды: сначала по последовательности пяти одинаковых ударов, а затем по трем таким последовательностям для разных точек подложки.

Сравнение сдвигового напряжения выявило большие различия в ударах стальным шариком и каплей. Если в первом случае напряжение оставалось локализованным в точке удара, то во втором случае его фронт двигался радиально по мере расплющивания капли. Так происходит из-за особенностей поведения жидкости при ударе. В самый начальный момент времени нижняя часть капли формирует плоский пьедестал (ламель), растущий по мере движения капли вниз. Точка, где граница капли переходит в ламель, называется точкой поворота, поскольку в ней поток жидкости резко меняет направление, утягивая за собой поверхность подложки. Этот механизм подтвердился тем, что зависимость координаты пика напряжения от времени хорошо совпадает с формулой, полученной теоретиками для точки поворота.

Другие отличия показали себя и в сравнении поведения нормального напряжения (сжатия) для капель и шариков. Как и в случае сдвигового напряжения, для удара капель физики увидели распространяющийся фронт, который ранее также предсказывали теоретики, но никто никогда не наблюдал. Неожиданным, однако, оказалось то, что начиная с некоторого момента времени на поверхности подложки стали возникать области отрицательного давления (растяжения), что свидетельствует о формировании поверхностной акустической волны или волны Рэлея. Поскольку скорость распространения фронта из точек поворота зависит от времени по закону обратного корня, в начальный момент времени он находится в сверхзвуковом режиме. Когда же волна Рэлея достигает точек поворота, происходит резонанс и взрывоподобный рост ее амплитуды. Возникающая волна декомпрессии ослабляет связь внутри материала и способствует сильной эрозии.

Ранее мы рассказывали, как другая группа физиков изучала иной аспект падения капель на твердые поверхности — разбрызгивание.

Марат Хамадеев