Колебания водных капель на МКС улучшили понимание смачивания

Американские физики исследовали собственные колебания водных капель на гидрофобных подложках в условиях микрогравитации. Для этого они отправили на МКС необходимые материалы и оборудование. Снимая дрожание капель на камеру, ученые смогли подтвердить, что развитая ими ранее теория колебаний свободных капель работает хорошо. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Движение капель на подложке характерно для многих промышленных процессов и технологий, начиная от производства полупроводников и заканчивая сборкой автономных флюидных машин. Это объясняет большой интерес ученых к физике происходящих при этом процессов, в понимании которой до сих пор находят белые пятна.

При классификации динамики смачивания выделяют относительно свободно движущиеся капли, неподвижные капли, а также промежуточные варианты. Количественно их характеризует параметр подвижности, который равен отклонению угла смачивания капли от равновесного значения, деленному на скорость движения контактной линии, то есть протяженной границы трех фаз (жидкость, подложка и атмосфера). Опыты с колебаниями неподвижных капель оказались в хорошем согласии с теорией. Но обеспечить каплям свободное движение, чтобы проверить вычисления для противоположного случая, еще никому не удавалось. Причина этого в том, что даже в случае скользких поверхностей сила тяжести прижимает каплю и уменьшает амплитуду колебаний до нескольких десятков микрометров, что сопоставимо с масштабами шероховатостей поверхности, к которым прилипает контактная линия.

Чтобы побороть этот фактор, группа американских физиков под руководством Джошуа Маккрэни (Joshua McCraney) из Корнеллского университета решила отправить капли на МКС и посмотреть, как они будут колебаться в условиях микрогравитации. Они подготовили для космонавтов оборудование и материалы для работы с уже имеющейся там установкой OASIS, предназначенной для исследования поведения жидкости в невесомости. В результате им удалось добыть ценную информацию колебаниях капелек жидкости в режиме свободного движения, подтвердив справедливость теории.

Суть эксперимента заключалась в размещении на девяти различных подложках капелек воды объемом 10 миллилитров, после чего подложки подвергались вертикальным колебаниям. Все подложки кроме контрольной обладали низким трением, что в отсутствии гравитации предполагает свободный режим движения контактной линии, но различными углами смачивания (от 102 до 145 градусов). В контрольной подложке, наоборот, была круглая выемка радиусом 1,5 сантиметра, чтобы представлять противоположный, абсолютно неподвижный случай. Для измерения параметров колебаний физики использовали высокоскоростную камеру с подсветкой.

Целью ученых было измерить частоты собственных колебаний капель. Поскольку временные и пространственные масштабы капиллярных сил зависят от постоянной свободного падения, в условиях МКС, где эта константа составляет всего 10^-6 метров на секунду в квадрате, амплитуды колебаний капель достигают сантиметров, а периоды — десятых долей секунды. Конкретная частота зависит от того, какая именно мода колебаний возбуждается в капле. Теоретическое описание собственных колебаний опирается на использование сферических функций, поэтому каждой моде ставится в соответствие пара целых чисел.

Физики меняли частоту колебания подложек в диапазоне от 1 до 10 герц и фиксировали резонансы по увеличению амплитуды отклонения капли на видеозаписях. В более сложном случае, когда две разные моды обладают близкими частотами, им приходилось применять к изображению самодельный алгоритм, который раскладывал форму капли в ряд по сферическим гармоникам. В результате физики имели наборы частот, соответствующие одним и тем же модам при различных углах смачивания. Аппроксимация этих наборов с помощью теории, развитой этими же авторами ранее, показала согласие с ошибкой в пределах всего нескольких процентов.

Примечательно, что в невесомости все три типа мод — зональные, тессеральные и секториальные — были гармоническими. На Земле происходит по-другому: тессеральные и секториальные моды демонстрируют субволновой отклик из-за сложного поведения волн Фарадея на контактных линиях, обусловленного пороговым характером их прилипания к шероховатости. Экспериментальная верификация теории в приближении свободных капель позволит комбинировать ее с приближением связанных капель для описания промежуточных реалистичных случаев.

МКС — это уникальная возможность избавиться от гравитации в широком множестве физических экспериментов. Ранее мы рассказывали, как это пригодилось при исследовании гранулированных газов, взаимодействия пыли и плазмы и надувании пузырей холодного газа.

Марат Хамадеев