Бурная жизнь длиной в сантиметр
|
Эксперименты по падению капелек воды на гидрофобную поверхность с высоты всего 1 см вскрыли целый ряд неожиданных явлений. Даже при таком нежном столкновении внутри капли могут возникать пузыри и бить микроструйки.
Соударение капель жидкости с поверхностью — интересный и важный раздел гидродинамики. Во-первых, это частный пример нестационарного движения жидкости со свободной поверхностью, активное теоретическое изучение которого продолжается до сих пор. Во-вторых, понимание этого процесса важно для практических приложений, таких как струйная печать и окрашивание поверхностей. Ну и, наконец, это просто красиво: короны из брызг и бьющей вертикально вверх струйки, которые образуются при падении капли в воду, впечатляют своими причудливыми и почти неправдоподобными формами.
Казалось бы, такие обыденные и легко воспроизводимые явления должны уже быть изучены вдоль и поперек, по крайней мере в эксперименте. Поэтому выглядит удивительным, что в недавней статье D. Bartolo et al., Physical Review Letters, 96, 124501 (27 March 2006) были описаны явления, сопровождающие падение капельки воды на поверхность с очень малой высоты, которые никто раньше не замечал.
В работе французских и голландских исследователей описываются результаты наблюдений за падением капельки размером 1 мм с высоты всего лишь около 1 см на гидрофобную (несмачиваемую) поверхность. Наблюдения проводились с помощью ультраскоростной видеосистемы, которая позволяла получать до 100 тысяч кадров в секунду и проследить за всеми этапами столкновения капельки с поверхностью.
Упавшая капелька вначале расплющивается, но из-за несмачиваемости она затем вновь собирается и отскакивает от поверхности. Однако за те миллисекунды, которые длится столкновение, с ней успевают произойти очень интересные явления.
Удар нижнего края капельки о поверхность порождает капиллярные волны (фото), которые пробегают по всей капле и фокусируются в ее верхней части. Там они вызывают сильные колебания воды вверх-вниз, и при движении воды вниз впадина пробивает каплю насквозь, превращая ее в «микробублик».
Эксперименты показали, что этот воздушный канал быстро схлопывается, но если подобрать правильную начальную скорость, то он всё время остается строго цилиндрическим (для теоретиков такое поведение — признак того, что уравнения имеют самоподобное решение). Лишь в последний момент с ним что-то происходит, причем так быстро, что видеокамера не успевает ничего отследить: на одном кадре есть цилиндрический канал, на следующем — уже ничего нет. Однако именно это разрушение воздушного канала порождает микроскопическую струйку, бьющую вверх. В некоторых экспериментах ее скорость превышала начальную скорость капельки в 40 раз!
Интересно, что если начальная скорость капли чуть больше оптимальной, то строгая цилиндрическая форма воздушного столбика нарушается, и в результате он превращается в пузырек воздуха, пойманный внутри капельки.
Конечно, пузыри и струйки можно легко получить при падении капли с очень большой высоты (достаточно вспомнить пузыри на лужах во время ливня), но вряд ли кто-то подозревал заранее, что подобные эффекты возникают и при столь нежных процессах.
Впрочем, как утверждают авторы статьи, большой загадки наблюдавшиеся явления для теоретической гидродинамики не представляют. Решив уравнения, они смогли теоретически вывести не только зависимость скорости и радиуса струйки от начальных параметров, но даже воспроизвести ее форму. Единственный неясный момент — это сам процесс исчезновения цилиндрического воздушного канала, и для прояснения его потребуются дополнительные исследования.
Игорь Иванов
