Загадка «левитирующих» капель раскрыта

Ученые из Массачусетского технологического института объяснили, почему иногда капелька жидкости не сливается с поверхностью жидкости под ней. Если капелька очень холодная, а жидкость внизу достаточно теплая, капля будет «левитировать» из-за потоков, вызванных разностью температур. Результаты исследования изложены в статье в Journal of Fluid Mechanics.

Руководитель исследования Мишела Гери задалась вопросом, почему разница температур может помешать капле смешаться с поверхностью жидкости. Она спроектировала маленькую коробочку, размером примерно с чашку для эспрессо, со стенками из акрила и металлической нижней гранью, которую она по очереди помещала на холодную и горячую подставку. В коробочке находилась ванночка с силиконовым маслом, а наверху был шприц, через который ученые могли выдавливать капельки силиконового масла с такой же вязкостью, как и в ванночке. В каждой серии экспериментов Гери измеряла температуру выдавленной капельки масла и температуру поверхности жидкости в ванночке. Масла подбирались разной вязкости — от приближенной к воде до в 500 раз более вязкой.

Промежуток времени между тем, как капелька вышла из шприца, и тем, как она слилась с поверхностью жидкости, тщательно фиксировался на камеру, снимавшую 2000 кадров в секунду. В одном из случаев ученые смогли заставить капельку зависнуть в воздухе на десять секунд, поддерживая разницу температур в 30 °C. Это примерно равно различию между горячим кофе и холодным молоком, которое в него добавляют.

«Мы обнаружили, что вес падающей капли и сила повторной циркуляции воздушного слоя могут уравновешиваться в одной точке, и, чтобы достичь этого равновесия, вам нужна минимальная, или критическая, разница температур, чтобы капелька начала левитировать», — поясняет Гери. В какой-то момент капля нагревается полностью, ее температура сравнивается с температурой поверхности, и левитация прекращается.

Группа ученых исследовала это явление с математической точки зрения. Расчеты показали, что время левитации капли относится к разнице температур как 2:3. Физики адаптировали уравнения, описывающие смешение двух жидкостей, и смоделировали, как ведет себя теплая часть жидкости внутри капли, которая подогрелась от поверхности внизу. Это позволило понять, как теплые потоки распространяются по капле, со временем нагревая ее всю. Ученые считают, что их расчеты помогут лучше понять, как в жидкостях смешиваются и распространяются химические и биологические вещества, а также разобраться с поведением капель в условиях нулевой гравитации.