Stürmisches Leben ist ein Zentimeter lang • Igor Ivanov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Physik

Stürmisches Leben ist einen Zentimeter lang

Ein Tropfen, der auf eine hydrophobe Oberfläche fällt, wird zu einem "Mikrobub" und "schießt" dann mit einem Mikrojet-Wasser (Bild von Phys. Rev. Lett., 96, 124501)

Experimente zum Fall von Wassertropfen auf einer hydrophoben Oberfläche aus einer Höhe von nur 1 cm zeigten eine Reihe von unerwarteten Phänomenen. Selbst bei solch einer sanften Kollision innerhalb der Tröpfchen können Blasen auftreten und Microjet schlagen.

Die Kollision von Flüssigkeitströpfchen mit einer Oberfläche ist ein interessanter und wichtiger Teil der Hydrodynamik. Erstens ist es ein privates Beispiel. nichtstationäre Bewegung einer freien Oberflächenflüssigkeit, eine aktive theoretische Studie, die noch läuft. Zweitens ist das Verständnis dieses Prozesses wichtig für praktische Anwendungen wie Tintenstrahldruck und Oberflächenlackierung. Und schliesslich ist es einfach wunderschön: Spritzer und Spritzungen, die senkrecht nach oben fließen, die sich bilden, wenn ein Tropfen ins Wasser fällt, beeindrucken durch ihre bizarren und fast unglaublichen Formen.

Es scheint, dass solche gewöhnlichen und leicht reproduzierbaren Phänomene zumindest im Experiment bereits entlang und quer studiert werden sollten. Es erscheint daher überraschend, dass in einem kürzlich erschienenen Artikel D.Bartolo et al., Physical Review Letters, 96, 124501 (27. März 2006), beschrieben Phänomene, die einen Wassertropfen auf der Oberfläche mit einschließen sehr geringe Höhedas hatte noch niemand zuvor bemerkt.

In der Arbeit der französischen und niederländischen Forscher beschreiben die Ergebnisse der Beobachtungen der Tropfengröße von 1 mm aus einer Höhe von nur etwa 1 cm pro hydrophob (nicht benetzbare) Oberfläche. Die Beobachtungen wurden mit Hilfe eines Ultrahochgeschwindigkeits-Videosystems durchgeführt, das es ermöglichte, bis zu 100 000 Bilder pro Sekunde zu erhalten und alle Stufen einer Tropfen-Oberflächen-Kollision zu verfolgen.

Das herabgefallene Tröpfchen flacht zuerst ab, aber aufgrund der Nichtbenetzbarkeit setzt es sich wieder zusammen und prallt von der Oberfläche ab. Für diese Millisekunden, die eine Kollision dauern, gelingt es jedoch sehr interessante Phänomene zu ereignen.

Der Einfluss der unteren Kante des Tröpfchens auf die Oberfläche erzeugt Kapillarwellen (Foto), die sich durch den gesamten Tropfen ziehen und in seinem oberen Teil fokussieren. Dort verursachen sie starke Schwankungen im Wasser auf und ab, und wenn das Wasser sinkt, schlägt der Graben einen Tropfen durch und verwandelt ihn in eine "Mikrobläschen".

Experimente haben gezeigt, dass dieser Luftkanal schnell kollabiert,Aber wenn Sie die richtige Anfangsgeschwindigkeit wählen, bleibt sie immer streng zylindrisch (für Theoretiker ist dieses Verhalten ein Zeichen dafür, dass die Gleichungen eine selbstähnliche Lösung haben). Nur im letzten Moment mit ihm. etwas passiertund es ist so schnell, dass die Videokamera keine Zeit hat, irgendetwas zu verfolgen: Es gibt einen zylindrischen Kanal auf einem Rahmen und nichts auf dem nächsten. Es wird jedoch diese Zerstörung des Luftkanals erzeugt mikroskopisches Rinnsalverprügeln. In einigen Experimenten überschritt seine Geschwindigkeit die Anfangsgeschwindigkeit des Tröpfchens. 40 mal!

Es ist interessant, dass, wenn die Anfangsgeschwindigkeit eines Tropfens etwas mehr als der optimale ist, dann die strenge zylindrische Form der Luftsäule verletzt wird, und als Ergebnis daraus wird Luftblasegefangen in einem Tröpfchen.

Natürlich können Blasen und Rinnsal leicht erhalten werden, indem man einen Tropfen abtropft sehr gross Höhen (man denke nur an die Blasen in den Pfützen während eines Gewitters), aber kaum jemand vermutet im Vorausdass ähnliche Effekte bei solchen schonenden Prozessen auftreten.

Den Autoren des Artikels zufolge sind die beobachteten Phänomene jedoch kein großes Rätsel für die theoretische Hydrodynamik.Wenn sie die Gleichungen gelöst haben, könnten sie theoretisch nicht nur die Abhängigkeit der Geschwindigkeit und des Radius des Stroms von den Anfangsparametern ableiten, sondern sogar ihre Form reproduzieren. Der einzige vage Punkt ist der Prozess des Verschwindens des zylindrischen Luftkanals selbst, und weitere Untersuchungen werden erforderlich sein, um es zu klären.

Igor Iwanow


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