Некоторые явления в нашей повседневной жизни настолько обыденны, что мы не задумываемся о том, какая интересная физика может стоять за ними. Возьмём, к примеру, капающий кран: почему непрерывный поток воды из крана в конце концов распадается на отдельные капли? Группа физиков изучила этот вопрос и пришла к удивительным выводам.
Прорыв в понимании распада струи воды на капли
Прорыв в понимании того, как струя воды распадается на капли, был совершён группой учёных, в которую вошли Стефан Коой, Дэниел Т. А. Джордан, Сийс Дж. М. ван Рейн и Дэниел Бонн из Амстердамского университета (Институт Ван дер Ваальса — Земана / Институт физики), а также Нил М. Рибе из Университета Париж-Сакле. Исследование [опубликовано](https://link.aps.org/doi/10.1103/jf6w-l5sy) в журнале Physical Review Letters.
В своём исследовании «Что определяет длину распада струи?» авторы убедительно демонстрируют, что начальные возмущения, приводящие к распаду так называемых ламинарных струй жидкостей на капли, вызваны не столько внешним шумом, турбулентностью или несовершенством сопла, как это часто предполагается.
Результаты исследования
Вместо этого их обширные эксперименты с использованием широкого спектра жидкостей, сопел и условий потока показали, что решающие возмущения вызваны внутренними тепловыми капиллярными волнами — тепловыми флуктуациями в ангстремах, десятых долях миллионной доли миллиметра.
Основной процесс аналогичен броуновскому движению, где случайные молекулярные движения заставляют микроскопически видимые частицы «танцевать». Исследователи обнаружили, что в случае жидких струй подобные тепловые колебания на поверхности водяной струи в конечном итоге приводят к её распаду на капли. Эти крошечные волны размером всего в несколько ангстремов затем усиливаются так называемой неустойчивостью Рэлея — Плато, пока струя не разорвётся.
Команда смогла подтвердить эту гипотезу с помощью анализа изображений модуляции пучка и систематического изменения параметров и обнаружила удивительно хорошее соответствие между экспериментально измеренной длиной отрезков, на которые распадается пучок (так называемая длина распада), и моделью, основанной на тепловом шуме, действительной в течение семи порядков величины — от так называемых наноструй до макроскопически больших струй, таких как из крана.
Значение работы
Работа ставит под сомнение представление, существующее почти 200 лет, о важности внешнего шума в образовании капель, демонстрируя, что даже в тщательно изолированных установках длина распада в конечном итоге определяется фундаментальным тепловым механизмом. Эти открытия дают новые фундаментальные знания для различных областей применения, связанных с образованием капель, таких как струйная печать, пищевая технология и аэрозольная доставка лекарств.
Предоставлено [Амстердамским университетом](https://phys.org/partners/university-of-amsterdam/).
published in the journal Physical Review Letters.»,»In their study, \»What Determines the Breakup Length of a Jet?\», the authors convincingly demonstrate that the initial disturbances that lead to the breakup of so-called laminar jets of liquids into droplets, are not primarily caused by external noise, turbulence, or imperfections in the nozzle, as is often assumed.»,»Instead, their extensive experiments, using a wide range of fluids, nozzles, and flow conditions, reveal that the decisive disturbances are caused by intrinsic thermal capillary waves—thermal fluctuations on the scale of angstroms, tenths of a millionth of a millimeter.»,»The underlying process is similar to Brownian motion, where random molecular movements cause microscopically visible particles to \»dance.\» The researchers discovered that in the case of liquid jets, similar thermal oscillations on the surface of a water jet are sufficient to eventually cause the jet to break up into droplets. These tiny undulations, just a few angstroms in size, are then amplified by the so-called Rayleigh-Plateau instability, until the jet breaks.»,»The team was able to confirm this hypothesis by image analysis of beam modulations and systematic variation of the parameters, and found a surprisingly good agreement between the experimentally measured length of the pieces in which the beam breaks up (the so-called breakup length) and a model based on thermal noise, valid over seven orders of magnitude—from so-called nanojets up to macroscopically large jets such as those from a faucet.»,»The work challenges a nearly 200-year-old notion about the importance of external noise in droplet formation, demonstrating that even in carefully isolated setups, the breakup length is ultimately determined by a fundamental thermal mechanism. These insights yield new fundamental knowledge for diverse application areas involving droplet formation, such as inkjet printing, food technology, and aerosol drug delivery.»,»\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 Amsterdam\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 Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник