Когда капля жидкости размером с сахарную пудру попадает на водоотталкивающую поверхность, например, пластик или листья некоторых растений, она может либо прилипнуть, либо отскочить. До сих пор учёные считали, что отскок зависит только от того, насколько поверхность водоотталкивающая, и от того, как капля теряет энергию удара. Предполагалось, что скорость не имеет значения.
Однако новое исследование, опубликованное в «Proceedings of the National Academy of Sciences», показывает, что скорость — это решающий фактор, и капли отскакивают только в «зоне Златовласки», то есть в определённом диапазоне скоростей.
«Отскок происходит только в очень узком диапазоне скоростей», — сказал Джейми Маклаухлан, первый автор исследования и доктор философии в Университете Бата. «Если капля движется слишком медленно, она прилипает. Слишком быстро — и она снова прилипает. Только в промежутке между этими значениями возможен отскок, когда у капли достаточно импульса, чтобы оторваться от поверхности, но не настолько, чтобы снова упасть на неё».
Исследователи также обнаружили эффект размера: слишком маленькие капли не могут отскочить, независимо от их скорости. Исследование показало, что вязкость (густота жидкости) накладывает фундаментальный размерный предел, не позволяя мельчайшим каплям отскакивать.
Для исследования учёные использовали высокоскоростные камеры, чтобы запечатлеть капли шириной 30–50 микрометров, ударяющиеся о водоотталкивающие поверхности со скоростью 1–10 метров в секунду. Камеры замедлили события в 100 000 раз и увеличили масштаб настолько, чтобы выявить детали тоньше человеческого волоса, которые затем сравнили с компьютерным моделированием.
Они также разработали простую пружинную модель для объяснения поведения. Внутри капли происходит множество крошечных движений одновременно, что делает её слишком сложной для полного моделирования. Модель рассматривает каплю как крошечную пружину, улавливая ключевые силы: липкость поверхности, вязкость (густота жидкости), поверхностное натяжение и скорость (инерция).
На идеально водоотталкивающих поверхностях капли могут отскакивать при любой скорости. Но на реальных поверхностях отскок происходит только тогда, когда все эти силы тонко сбалансированы.
«Замечательно, что такой сложный процесс можно описать всего двумя простыми уравнениями», — отметил доктор Адам Сквайрз из Университета Бата. «Система, состоящая из нескольких масс, пружин и демпфера в сочетании с небольшим набором правил, смогла воспроизвести сложное поведение реальных капель».
Результаты имеют широкое применение. В печати понимание диапазона скоростей для отскока помогает обеспечить надёжное нанесение чернил на водоотталкивающие поверхности. В сельском хозяйстве это предлагает способы предотвращения отскока пестицидов с листьев. А в здравоохранении это подчёркивает, как респираторные капли могут прилипать к мебели или отскакивать и оставаться в воздухе, влияя на распространение болезней.
«Интересно, что наши результаты дают чёткие стратегии контроля за каплями», — поделился доцент Антон Соуслов, автор статьи из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. «Например, использование более гидрофильных покрытий может подавлять отскок в широком диапазоне условий. Это напрямую связано с технологиями от покрытий до контроля аэрозолей».
В качестве следующих шагов исследователи хотят изучить, как другие факторы влияют на поведение капель, такие как электрический заряд, вязкоупругие жидкости, которые ведут себя отчасти как твёрдые тела, и поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное натяжение, например, мыло и распространённые в биологических каплях.
Эти свойства широко распространены в реальных системах и могут сдвинуть границу между прилипанием и отскоком. Они также могут выявить новые и неожиданные явления.
Предоставлено Университетом Кембриджа.
Proceedings of the National Academy of Sciences, shows that speed is actually the deciding factor—and that droplets only bounce within a \”Goldilocks zone,\” or just the right speed range.”,”\”Bouncing only happens in a very narrow speed window,\” said Jamie McLauchlan, first author of the study and Ph.D. student at the University of Bath.”,”\”If the droplet moves too slowly, it sticks. Too fast, and it sticks again. Only in between is bouncing possible, where there is enough momentum to detach from the surface but not so much that it collapses back onto it.\””,”The researchers also discovered a size effect: droplets that are too small cannot bounce, regardless of their speed. The study revealed that viscosity (how thick the liquid is) imposes a fundamental size limit, preventing the tiniest droplets from ever bouncing.”,”To investigate, the scientists used high-speed cameras to capture droplets just 30–50 micrometers wide hitting water-repelling surfaces at 1–10 meters per second. The cameras slowed events by 100,000 times and zoomed in close enough to reveal details finer than a human hair, which were then compared with computer simulations.”,”They also developed a simple spring-like model to explain the behavior. Inside a droplet, many tiny movements happen at once, making it too complex to simulate fully. The model treats the droplet like a tiny spring, capturing the key forces—stickiness of the surface, viscosity (how thick the liquid is), surface tension, and speed (inertia).”,”On perfectly water-repellent surfaces, droplets can bounce at any speed. But on real-world surfaces, bouncing only happens when all these forces are delicately balanced.”,”\”It is remarkable that such a complicated process could be described with just two simple equations,\” remarked Dr. Adam Squires from the University of Bath.”,”\”A system made up of a few masses, springs, and a damper, combined with a small set of rules, was able to reproduce some of the complicated behavior of real droplets.\””,”The results have wide applications. In printing, understanding the speed window for bouncing helps ensure reliable ink deposition on water-repelling surfaces. In agriculture, it suggests ways to prevent pesticides from bouncing off leaves. And in health, it highlights how respiratory droplets may stick to furnishings, or bounce off and remain airborne, influencing how diseases spread.”,”\”The exciting part is that our results give clear strategies for controlling droplets,\” shared Associate Professor Anton Souslov, corresponding author of the paper from the Cavendish Laboratory, University of Cambridge.”,”\”For example, using more hydrophilic coatings can suppress bouncing across a wide range of conditions. That connects directly to technologies from coatings to aerosol control.\””,”As next steps, the researchers now want to explore how other factors influence droplet behavior, such as electric charge, viscoelastic liquids that behave partly like solids, and surfactants, substances that reduce surface tension like soap and are common in biological droplets.”,”These properties are widespread in real systems and are likely to shift the boundary between sticking and bouncing. They may also reveal new and unexpected phenomena.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Cambridge\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник