В ходе нового исследования американские физики вновь изучили собственные колебания водных капель на гидрофобных поверхностях в условиях микрогравитации на Международной космической станции (МКС). С помощью специального оборудования, доставленного на станцию, ученые наблюдали и записывали дрожание капель. Полученные данные позволили подтвердить правильность ранее разработанной ими теории колебаний свободных капель, опубликованной в журнале Physical Review Letters. Движение капель на поверхности играет важную роль во множестве промышленных процессов и технологий, от производства полупроводников до сборки автономных жидкостных машин. Понимание физических процессов, происходящих при этом, является предметом очень пристального внимания ученых. Несмотря на значительные успехи в этой области, многие аспекты динамики смачивания остаются неясными.
Классификация динамики смачивания обычно включает три типа: свободно движущиеся капли, неподвижные капли и промежуточные варианты.
Количественно их характеризует параметр подвижности, который равен отклонению угла смачивания капли от равновесного значения, деленному на скорость движения контактной линии, то есть протяженной границы трех фаз (жидкость, подложка и атмосфера). Опыты с колебаниями неподвижных капель оказались в хорошем согласии с теорией. Но обеспечить каплям свободное движение, чтобы проверить вычисления для противоположного случая, еще никому не удавалось. Причина этого в том, что даже в случае скользких поверхностей сила тяжести прижимает каплю и уменьшает амплитуду колебаний до нескольких десятков микрометров, что сопоставимо с масштабами шероховатостей поверхности, к которым прилипает контактная линия.
Чтобы побороть этот фактор, группа американских физиков под руководством Джошуа Маккрэни (Joshua McCraney) из Корнеллского университета решила отправить капли на МКС и посмотреть, как они будут колебаться в условиях микрогравитации. Они подготовили для космонавтов оборудование и материалы для работы с уже имеющейся там установкой OASIS, предназначенной для исследования поведения жидкости в невесомости. В результате им удалось добыть ценную информацию колебаниях капелек жидкости в режиме свободного движения, подтвердив справедливость теории.
Суть эксперимента заключалась в размещении на девяти различных подложках капелек воды объемом 10 миллилитров, после чего подложки подвергались вертикальным колебаниям. Все подложки кроме контрольной обладали низким трением, что в отсутствии гравитации предполагает свободный режим движения контактной линии, но различными углами смачивания (от 102 до 145 градусов). В контрольной подложке, наоборот, была круглая выемка радиусом 1,5 сантиметра, чтобы представлять противоположный, абсолютно неподвижный случай. Для измерения параметров колебаний физики использовали высокоскоростную камеру с подсветкой.
Целью ученых было измерить частоты собственных колебаний капель. Поскольку временные и пространственные масштабы капиллярных сил зависят от постоянной свободного падения, в условиях МКС, где эта константа составляет всего 10-6 метров на секунду в квадрате, амплитуды колебаний капель достигают сантиметров, а периоды — десятых долей секунды. Конкретная частота зависит от того, какая именно мода колебаний возбуждается в капле. Теоретическое описание собственных колебаний опирается на использование сферических функций, поэтому каждой моде ставится в соответствие пара целых чисел.
Физики меняли частоту колебания подложек в диапазоне от 1 до 10 герц и фиксировали резонансы по увеличению амплитуды отклонения капли на видеозаписях. В более сложном случае, когда две разные моды обладают близкими частотами, им приходилось применять к изображению самодельный алгоритм, который раскладывал форму капли в ряд по сферическим гармоникам. В результате физики имели наборы частот, соответствующие одним и тем же модам при различных углах смачивания. Аппроксимация этих наборов с помощью теории, развитой этими же авторами ранее, показала согласие с ошибкой в пределах всего нескольких процентов.
Зависимость собственных частот водных капель от угла смачивания подложек. Сплошной линией показаны результаты теоретических вычислений в приближении свободных капель. Во врезе показаны данные для контрольной подложки. J. McCraney et al. / Physical Review Letters
МКС — это уникальная возможность избавиться от гравитации в широком множестве физических экспериментов. Ранее мы рассказывали, как это пригодилось при исследовании гранулированных газов, взаимодействия пыли и плазмы и надувании пузырей холодного газа.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
