Пояснена фізика стікання меду

Кожен, хто хоча б раз мав справу з медом, бачив: якщо переливати його з однієї ємності в іншу, утворюються тонкі довгі нитки рідини, які можуть існувати досить довго, не обриваючись. Досі, однак, науковому світу було невідомо, чому нитки на практиці набагато стабільніше, ніж можна було б припустити, виходячи з відомої в’язкості меду. Але в останній своїй роботі група вчених з Франції відповіла на це питання, використовуючи комбінацію теоретичних викладок і експериментів з силіконовим маслом.

Вони виявили, що

в’язкість не впливає на великомасштабне рух рідини, але впливає на те, як у ній формуються невеликі випадкові хвилі, що посилюються з часом і призводять до розпаду струменів на окремі краплі. Результати їх досліджень можуть бути актуальні для промислових процесів, які пов’язані з витяганням довгих ниток з в’язкої рідини, наприклад, у рамках виготовлення оптичних волокон.

Умови, при яких струмінь рідини розпадається на окремі краплі, вивчалися з кінця дев’ятнадцятого століття. На початковому етапі цих робіт вчені пояснили, що поверхневий натяг може посилити коливання діаметра струменя, що, в кінцевому рахунку, призводить до її розбиття на окремі краплі.

Однак досі залишалося загадкою, чому цей розпад відбувається набагато повільніше, якщо мова йде про течії в’язкої рідини. Якщо струмінь звичайної води розбивається на окремі краплі вже через 10 см шляху, то нитка меду може досягати довжини 10 метрів.

Відомо, що у міру стікання рідини, струмінь розтягується під власною вагою, поки не стає занадто тонкою, щоб протистояти флуктуацій діаметра (це явище відоме, як нестійкість Релея-Плато).

Згідно існувала досі теорії, цей процес не залежить від в’язкості. Таким чином, довжина струменя, після якої вона розпадається на окремі краплі, повинна бути однаковою для всіх рідин. На практиці всі ми знаємо, що це не так.

Група вчених з Ecole Normale Superieure (Франція) вивчили проблему більш докладно. Вони провели аналіз стійкості для математичної моделі вертикального струменя, що формується під дією сили тяжіння. На розроблену модель вони «наклали» хвилеподібні обурення і перевірили, як поводяться ці хвилі з плином часу.

Вчені виявили, що

точка, в якій відбувається розпад струменя, дійсно прямо не залежить від в’язкості. Ключ до розуміння проблеми полягав у тому, щоб виявити іншу роль цієї характеристики. Більш в’язка рідина дійсно має більший опір розтяганню струменя, ніж рідина з низькою в’язкістю. Однак більша в’язкість уповільнює процес посилення для збурень деякого роду.

Дослідники порівняли результати своїх теоретичних пошуків з експериментами, проведеними на силіконових оліях з широким спектром вязкостей, і виявили добре узгодження теорії з практикою у всіх випадках, за винятком найбільш в’язких рідин. У цьому варіанті запропонована ними теорія дає дуже велику довжину струменя (перш ніж вона розпадеться).

Дослідники пояснюють це тим, що струмінь рідини з великою в’язкістю стає настільки тонкою, що виявляється більш чутливою до збурень поверхні. До цих пір цей фактор в теорії взагалі не враховувався.

Варто відзначити, що

характер розпаду струменя рідини на окремі краплі має найважливіше значення для виробництва, наприклад, оптичних волокон, де в’язкі рідини, такі як полімери або розплавлене скло, витягуються в довгі тонкі нитки.

Сформульована французькими вченими теорія дозволить передбачити максимальну довжину подібних волокон. Крім того, аналогічне явище відбувається в межах деяких вулканічних процесів, де розплавлена порода утворює скляні волокна, відомі як «волосся Пеле». Нова теорія дозволить краще зрозуміти особливості даного феномена.

Джерело(і):

1. sci-lib.com

2. physics.aps.org

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *