Этот эффект, заметный в повседневных текучих жидкостях, может проявляться в масштабах меньше нанометра
Струя воды при падении распадается на капли благодаря неустойчивости Рэлея-плато, которая усиливает небольшие возмущения на поверхности струи. Группа исследователей утверждает, что эти первоначальные возмущения могут быть вызваны колебаниями отдельных молекул.
Капли воды, падающие на дно раковины, могут быть вызваны колебаниями отдельных молекул.
Струя жидкости, похожая на струйку из-под крана, при падении распадается на капли. Это явление, обнаруживаемое в садовых шлангах, чайниках и фонтанчиках для воды, может быть вызвано колебаниями молекул жидкости, утверждают физики Дэниел Бонн и его коллеги в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Исследователи хотели разобраться в этих жидкостных струях на глубоком уровне. “Мы — те, кто умеет шептать струи”, — говорит Бонн из Амстердамского университета. “Одна из функций струи заключается в том, что она распадается на капли, и мы хотели знать, когда, как и почему”. Бонн отмечает, что распад на капли важен для различных применений, в том числе для струйной печати и создания тумана в ингаляторах от астмы.
В основе процесса распада лежит концепция, известная как нестабильность по плато Рэлея. Это приводит к тому, что из-за поверхностного натяжения струи воды появляются небольшие неровности и покачивания, которые усиливаются до тех пор, пока струя не распадается на части. Но происхождение первоначальных колебаний неизвестно. Иногда это объясняется несовершенством насадки или внешним воздействием. “Обычно мы размахиваем руками и говорим: ”Откуда-то доносится какой-то шум, кто-то чихнул в соседнем офисе», — говорит математик-прикладник Джеймс Сприттлс из Университета Уорика в Ковентри, Англия, который не принимал участия в исследовании.
Чтобы выяснить причину распада струи, Бонн и его коллеги провели эксперименты с реактивными двигателями. Их было много. Сто пятьдесят восемь, если вы настаиваете на подсчете. “Одна из самых впечатляющих вещей — это диапазон экспериментов, которые они проводят», — говорит Сприттлс. Команда использовала десятки различных типов насадок — шероховатых и гладких, размером от микрона до миллиметра, а также различные жидкости с различной вязкостью, плотностью и поверхностным натяжением. Они также попытались изолировать оборудование от внешних воздействий. Они обнаружили, что качество сопла никак не влияет на расстояние, на которое расходится струя. Все полученные данные можно было бы объяснить, если бы первоначальные возмущения включали тепловые флуктуации — случайное колебание молекул под воздействием тепла. Экстраполируя полученные данные, можно сделать вывод, что размер первоначального возмущения на поверхности струи составляет примерно десятую долю нанометра. Это соответствует типичному размеру тепловых колебаний молекул воды.
Исследователи провели ряд экспериментов (один из них на фото), чтобы понять, как струя воды распадается на капли.Стефан Койдж
“Я был очень впечатлен этой работой”, — говорит физик Йенс Эггерс из Бристольского университета в Англии, который не принимал участия в исследовании. “Это позволяет взглянуть на проблему с разных сторон и увидеть, действительно ли все эти данные дают согласованную картину”.
Учитывая, что эффект возникает в результате нагревания, можно ожидать, что изменение температуры жидкости должно оказывать большое влияние на разрушение. Но на самом деле повышение температуры настолько, чтобы существенно изменить ожидаемый результат, привело бы к закипанию воды. Для проведения испытаний при таких высоких температурах потребовались бы экзотические жидкости, такие как расплавленные металлы, свойства которых сами по себе недостаточно изучены, что затрудняет получение выводов. Поэтому вместо того, чтобы манипулировать температурой, исследователи изменили другие свойства, например, использовали жидкости с различным поверхностным натяжением, чтобы сделать тепловые колебания более или менее заметными.
По словам Эггерса, усиление крошечных молекулярных движений до размеров кухонной раковины вызывает удивление. “Не так часто удается установить прямую связь между микроскопическим миром и чем-то макроскопическим”.