Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Каждый, кто хотя бы раз имел дело с медом, видел: если переливать его из одной емкости в другую, образуются тонкие длинные нити жидкости, которые могут существовать достаточно долго, не обрываясь. До сих пор, однако, научному миру было неизвестно, почему нити на практике гораздо стабильнее, чем можно было бы предположить, исходя из известной вязкости меда. Но в последней своей работе группа ученых из Франции ответила на этот вопрос, используя комбинацию теоретических выкладок и экспериментов с силиконовым маслом.
Они обнаружили, что
вязкость не влияет на крупномасштабное движение жидкости, но воздействует на то, как в ней формируются небольшие случайные волны, усиливающиеся со временем и приводящие к распаду струй на отдельные капли. Результаты их исследований могут быть актуальны для промышленных процессов, которые связаны с вытягиванием длинных нитей из вязкой жидкости, к примеру, в рамках изготовления оптических волокон.
Условия, при которых струя жидкости распадается на отдельные капли, изучались с конца девятнадцатого века. На начальном этапе этих работ ученые объяснили, что поверхностное натяжение может усилить колебания диаметра струи, что, в конечном счете, приводит к ее разбиению на отдельные капли.
Однако до сих пор оставалось загадкой, почему этот распад происходит гораздо медленнее, если речь идет о струе вязкой жидкости. Если струя обычной воды разбивается на отдельные капли уже через 10 см пути, то нить меда может достигать длины 10 метров.
Известно, что по мере стекания жидкости, струя растягивается под собственным весом, пока не становится слишком тонкой, чтобы противостоять флуктуациям диаметра (это явление известно, как неустойчивость Рэлея-Плато).
Согласно существовавшей до сих пор теории, этот процесс не зависит от вязкости. Таким образом, длина струи, после которой она распадается на отдельные капли, должна быть одинаковой для всех жидкостей. На практике все мы знаем, что это не так.
Группа ученых из Ecole Normale Supérieure (Франция) изучили проблему более подробно. Они провели анализ устойчивости для математической модели вертикальной струи, формирующейся под действием силы тяжести. На разработанную модель они «наложили» волнообразные возмущения и проверили, как ведут себя эти волны с течением времени.
Ученые обнаружили, что
точка, в которой происходит распад струи, действительно напрямую не зависит от вязкости. Ключ к пониманию проблемы заключался в том, чтобы выявить иную роль этой характеристики. Более вязкая жидкость действительно оказывает не большее сопротивление растяжению струи, чем жидкость с низкой вязкостью. Однако большая вязкость замедляет процесс усиления для возмущений некоторого рода.
Исследователи сравнили результаты своих теоретических изысканий с экспериментами, проведенными на силиконовых маслах с широким спектром вязкостей, и обнаружили хорошее согласование теории с практикой во всех случаях, за исключением самых вязких жидкостей. В этом варианте предложенная ими теория дает слишком большую длину струи (прежде чем она распадется).
Исследователи объясняют это тем, что струя жидкости с большой вязкостью становится настолько тонкой, что оказывается более чувствительной к возмущениям поверхности. До сих пор данный фактор в теории вообще не учитывался.
Стоит отметить, что
характер распада струи жидкости на отдельные капли имеет важнейшее значение для производства, к примеру, оптических волокон, где вязкие жидкости, такие как полимеры или расплавленное стекло, вытягиваются в длинные тонкие нити.
Сформулированная французскими учеными теория позволит предсказать максимальную длину подобных волокон. Кроме того, аналогичное явление происходит в рамках некоторых вулканических процессов, где расплавленная порода образует стеклянные волокна, известные как «волосы Пеле». Новая теория позволит лучше понять особенности данного феномена.
