Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) обнаружили, что капля жидкости может подпрыгивать на вибрирующей твёрдой поверхности в течение нескольких минут — а возможно, и бесконечно.
Наблюдение с далеко идущими последствиями
Если вы когда-нибудь добавляли жидкость на горячую сковороду, вы могли заметить, как капли пузырились и скользили по шипящей поверхности, а не сразу растекались и смачивали её. Это происходит потому, что жар сковороды начинает вскипать нижнюю сторону капель, образуя пар, который действует как изолирующая подушка, на которой они могут — на мгновение — «танцевать».
Ранее учёные создали версию этого явления при комнатной температуре, известную как эффект Лейденфроста, заменив горячую поверхность быстро вибрирующей жидкой ванной. В этих экспериментах вибрации создавали тонкую плёнку воздуха, на которой жидкие капли могли подпрыгивать и парить вечно.
Эксперименты с масляной каплей
Теперь исследователи из Инженерной школы EPFL экспериментально показали, что масляная капля может подпрыгивать на вибрирующей твёрдой поверхности при комнатной температуре до пяти минут.
«Интересно, что предыдущие наблюдения за постоянно подпрыгивающими каплями были обусловлены изменением поверхности вибрирующей жидкой ванны, но в нашем случае поверхность твёрдая, поэтому уникальное поведение капли обусловлено её собственной деформацией», — объясняет Джон Колински, руководитель лаборатории инженерной механики мягких интерфейсов.
Новые возможности
«Наша работа даёт новое понимание физики и подчёркивает потенциал для точного манипулирования небольшими количествами жидкости в воздухе», — говорит Колински.
Учёные опубликовали свои наблюдения вместе с моделью, объясняющей и предсказывающей их, в журнале Physical Review Letters.
Как это работает?
В своих экспериментах исследователи выпустили 1,6-миллиметровую каплю силиконового масла на твёрдую поверхность, под которой виброплатформа создавала контролируемые колебания. Первый автор и доктор философии Лебо Молефе сравнивает это с удержанием мяча на ракетке для настольного тенниса.
«Если мы заменим мяч жидкой каплей, мы обнаружим, что она может бесконечно подпрыгивать над тонким слоем воздуха на вибрирующей „ракетке“, которая в нашем случае сделана из слюды — специального материала, который атомарно гладкий», — говорит она.
Играя с частотой и амплитудой этих вибраций, исследователи получили два различных поведения капель: некоторые частоты заставляли каплю подпрыгивать, как баскетбольный мяч, в то время как другие заставляли её быстро двигаться вверх и вниз, не покидая тонкого воздушного слоя над слюдой.
Моделирование и прогнозы
Для интерпретации своих наблюдений исследователь лаборатории механики жидкости и неустойчивостей Томас Фуллана провёл численное моделирование, направленное на характеристику сложной динамики отскока капли, что способствовало разработке модели, которая позволила команде имитировать и точно предсказывать измеренное поведение при подпрыгивании.
Интересно, что они обнаружили, что время зависания капли, по-видимому, ограничивается только её боковым перемещением по слюдяной поверхности, поскольку в конечном итоге она сталкивается с дефектом, который разрывает воздушную плёнку под ней, вызывая обычное «плюханье».
В противном случае, говорит Фуллана, «наше численное моделирование показывает, что капля может сохранять достаточно кинетической энергии для подпрыгивания в течение длительного периода и, возможно, бесконечно».
Перспективы
Исследователи говорят, что их выводы могут изменить представления учёных об обращении с чрезвычайно малыми количествами жидкости в воздухе при комнатной температуре — важная задача в фармацевтической промышленности, где химическая чистота и точность имеют первостепенное значение.
Например, в экспериментальной проверке концепции команда EPFL успешно контролировала боковое движение своей подпрыгивающей капли на слюдяной поверхности, используя «щипцы» из крошечных струй сжатого воздуха.
Предоставлено Ecole Polytechnique Federale de Lausanne.
droplets bubbled up and skittered across the sizzling surface, rather than immediately flattening and wetting. This happens because the pan’s heat starts boiling the undersides of the droplets, producing vapor that acts as an insulating cushion on which they can—momentarily—dance.»,»Previously, scientists have produced a room-temperature version of this phenomenon—known as the Leidenfrost effect—by replacing the hot surface with a rapidly vibrating liquid bath. In these experiments, the vibrations produced a thin film of air on which the liquid droplets could bounce and hover perpetually.»,»Now, researchers in EPFL’s School of Engineering have shown experimentally that an oil droplet can bounce on a vibrating solid surface at room temperature for up to five minutes.»,»\»What’s interesting here is that previous observations of perpetually bouncing droplets were determined by the changing surface of the vibrating liquid bath, but in our case the surface is solid, so the drop’s own deformations are driving its unique behavior,\» explains John Kolinski, head of the Engineering Mechanics of Soft Interfaces Lab.»,»\»Our work provides new physics insights and highlights the potential for precision manipulation of small liquid quantities in air.\»»,»The scientists have published their observations, along with a model to explain and predict them, in the journal Physical Review Letters.»,»In their experiments, the researchers released a 1.6-millimeter droplet of silicon oil over a solid surface, beneath which a stage produced controlled vibrations. First author and Ph.D. student Lebo Molefe likens it to keeping a ball bouncing on a table tennis paddle.»,»\»If we replace the ball with a liquid drop, we find that it can perpetually bounce above a thin air layer on a vibrating ‘paddle,’ which in our case is made of mica—a special material that is atomically smooth,\» she says.»,»By playing with the frequency and amplitude of these vibrations, the researchers produced two distinct droplet behaviors: some frequencies made the droplet appear to bounce like a basketball, while others made it move rapidly up and down without ever leaving the thin air cushion above the mica.»,»As Molefe explains, the transition between these two states is linked to the way the droplet’s surface bulges and deforms as it interacts with the rigid surface below. \»To ‘jump off’ the surface, the drop needs enough time to flatten first, so surface tension causes it to store energy like a coiled spring. At high vibration frequencies, there’s not enough time for this to happen, so the drop appears to be stuck near the surface.\»»,»To interpret their observations, Laboratory of Fluid Mechanics and Instabilities researcher Tomas Fullana led numerical simulations aimed at characterizing the complex dynamics of the droplet’s rebound, facilitating the development of a model that allowed the team to simulate and accurately predict their measured bouncing behaviors.»,»Interestingly, they found that the droplet’s hover time appeared to be limited only by its lateral progress across the mica surface, as it would eventually encounter a defect that ruptured the air film beneath, triggering the usual \»splat.\»»,»Otherwise, says Fullana, \»our numerical simulations show that a drop could retain enough kinetic energy to bounce for an extended period, and possibly indefinitely.\»»,»The researchers say their findings could change how scientists think about handling extremely small quantities of liquid in air at room temperature—an important challenge in the pharmaceutical industry, where chemical purity and precision are paramount. For example, in a proof-of-concept experiment, the EPFL team succeeded in controlling the sideways movement of their bouncing droplet on the mica surface, using \»tweezers\» made of tiny jets of compressed air.»,»\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\tEcole Polytechnique Federale de Lausanne\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