Струменя рідини можуть формувати крила

Струмінь звичайної рідини, вдаряючись в плоску пластину, формує кругові форми. Але як з’ясувалося, так звані в’язкопружні рідини, крім інших форм, що можуть утворювати квадратні або трикутні структури. Це дивна поведінка визначається особливостями взаємодії такої рідини з поверхнею в точці удару. За рахунок формування своєрідних крил в рідині знижується внутрішнє напруження. Природно, подібні структури впливають на транспорт рідини і потенційно можуть використовуватися для фокусування потоку або оптимізації формування крапель в промислових умовах.

В’язкопружні рідини, таких як гелі або пасти, реагують на деформацію двома способами: у них одночасно з’являється як тертя (за рахунок в’язкості), так і пружний відгук (за рахунок пружності). Подібними властивостями в’язкопружні рідини зобов’язані молекулам з довгою ланцюгом атомів (полімерів), які можуть розтягуватися, як крихітні пружини.

“Крила” формовані при наголосі струменя в’язкопружного рідини об поверхню.

До вязкоупругим рідин відносяться: слина, сік дерев, клеї, фарби і навіть ракетне паливо.

Одним з унікальних властивостей цих рідин є те, що вони чинять опір формування краплі (або розпилення), що робить їх важко обробляються у системах упорскування палива або в процесах формування порошків.

Група вчених з Paris Diderot University (Франція) вивчала розпорошення в’язкопружних рідин в рамках класичного експерименту, в якому струмінь рідини з великою швидкістю виштовхується через сопло на плоску поверхню. Відбита від поверхні рідина формує на деякій відстані від точки зіткнення своєрідною тонкий лист, розпадається на краплі або формує так званий «гідравлічний стрибок» – вид стаціонарної хвилеподібною структури, який з’являються поруч з каменями в швидко рухомих потоках.

Для початку у своїх експериментах учені використовували звичайні рідини. Після чого перейшли до розчину поліетиленгліколю (добре вивчена в’язкопружних рідина). Вони виявили, що

для реактивних швидкостей, які перевищують швидкість потоку близько 1 метра в секунду, при розміщенні сопла на відстані менше сантиметра від поверхні, структура, що виникає в результаті зіткнення струменя з цією поверхнею, перетворюється з круглої в трикутну, квадратну або іншу багатокутну (при цьому в кутах фігури з’являлися окремі краплі рідини).

Коли команда звернула увагу на місце зіткнення струменя з поверхнею, вони побачили так звані «крила» – структури, що нагадують оперення стріли; при цьому їх кількість збігалося з числом кутів багатокутника, утвореного рідиною на поверхні. Більш детальне вивчення феномену показало, що

крила здатні формувати тільки в’язкопружні рідини; чим швидше потік рідини і ближче сопло до поверхні, тим більше крила. Експериментуючи з різними параметрами, команді вдалося домогтися формування 34 крил, коли сопло розташовувалося всього в міліметрі від поверхні.

Настільки незвичайна поведінка вчені пояснюють одночасним дією пружних напруг і поверхневого натягу.

Коли рідина виходить з сопла, зовнішня поверхня струменя рухається повільніше, ніж її центр. Це невідповідність призводить до деформації зсуву, яка розтягує молекули полімеру, розташовані поблизу від поверхні. В результаті енергетично більш вигідним виявляється поширення молекул вздовж своєрідного «крила». Але поверхневий натяг діє проти появи додаткової площі поверхні (за рахунок формування кожного нового крила).

В результаті формується рівно така форма потоку, щоб збалансувати сили. В рамках роботи дослідники запропонували математичну модель, точно предсказывающую форму і кількість «крил», які формуються для потоку з заданою швидкістю та відстанню від сопла до поверхні.

Але причини, з яких крила мають настільки вузьку форму, поки до кінця не зрозумілі.

Детальні результати роботи опубліковані в журналі Physical Review Letters.

Залишити відповідь

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