Анализ, опубликованный на этой неделе в Physics of Fluids от AIP Publishing, показывает удивительный эффект на поверхности воды, который противоречит общепринятым представлениям и углубляет наше понимание роли капиллярных сил.
Капиллярные силы описывают все, от того, как чернила заполняют перьевая ручка до того, как некоторые насекомые могут ходить по воде.
Они являются результатом поверхностного натяжения, которое объясняет, как образуются капли и как поверхность жидкости прилипает к стенке контейнера, образуя наклон, называемый мениском.
«Эти капиллярные силы небольшие, но они очень важны, как только размеры или движения становятся маленькими», — сказал Пьер-Томас Брун, математик из Массачусетского технологического института.
Исследователи обнаружили, что именно эти эффекты смягчают плескание воды, покрытой слоем пены.
Новые результаты, по словам исследователей, в конечном итоге могут быть использованы для предотвращения разбрызгивания жидкостей в контейнере, например топлива в ракетном баке или масла на грузовом корабле. Две ситуации, в которых плескание может дестабилизировать транспортное средство.
Когда какая-либо жидкость плещется в контейнере взад и вперед, она рассеивает энергию, и волны становятся все меньше и меньше. Но согласно предыдущей теории, эти колебания затухают экспоненциально.
Это означает, что, хотя амплитуда волн уменьшается, на самом деле она никогда не исчезает. В принципе, чтобы прекратить плескание, требуется целая вечность.
В реальном мире, конечно, плескание прекращается, и физики предположили, что должны действовать некоторые другие эффекты, чтобы остановить колебания. Но никто точно не знал, что это были.
Известно, что пена замедляет плеск жидкости, поэтому исследователи обратили внимание на мыльную пену для воды. В результате теоретического анализа и экспериментов исследователи обнаружили, что капиллярные эффекты от пены вызывают крошечные градиенты давления у стенок контейнера, которые вызывают небольшие движения в жидкости, которые уменьшают плескание.
Удивительно, но это затухание происходит намного быстрее, чем ожидаемое экспоненциальное затухание. На самом деле волны затухают все больше и больше по мере того, как они колеблются.
«Мы увидели то, во что не могли поверить», — сказал Франсуа Галлер, физик из Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии. Чем медленнее была скорость качания, тем сильнее скорость рассеяния. С учетом капиллярных эффектов новые уравнения показывают, что плескание прекращается через конечное время — вопреки предыдущей теории.
Хотя исследователи проводили анализ только с мыльной водой, они предполагают, что жидкости без пены должны вести себя таким же образом — только их труднее обнаружить. Наличие пены усиливает эти капиллярные эффекты. Поскольку пена состоит из множества крошечных пузырьков с большим количеством границ раздела между жидкостью и воздухом, эти капиллярные эффекты сильнее.
В настоящее время исследователи продолжают анализ жидкостей без пены.