Частицы, которые не идут по течению
 В рамках вычислительного эксперимента частицы взвеси в жидкости в циллиндре (вид сверху) сформировали единую структуру, сохраняющую характерные формы во время вращения. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
В 1996 году группа ученых из University of Giessen (Германия) поставила серию экспериментов с так называемыми термокапилярными потоками. Они помещали каплю жидкости между плоскими концами двух тонких стержней, расположенных вертикально. После чего верхний стержень нагревался. Когда в жидкость подмешивались контрастные частицы для визуализации течений (стандартная методика визуализации), ученые были удивлены тем, что эти частицы сформировали некое подобие нити, протянувшейся через весь объем жидкости. Структура была стабильна и вращалась вместе с жидкостью без изменения формы. Аналогичные явления впоследствии наблюдались и на других экспериментах. Хотя стабильные структуры смогли воссоздать для различных размеров и форм взвешенных частиц, до сих пор не было известно, какие силы принимают участие в их формировании и какие особенности потока жидкости на них влияют.
Изучение явления продолжилось в Бельгии. Ученые из Free University of Brussels рассмотрели уравнения, описывающие движение таких частиц в термокапилярных потоках. В результате учета различных параметров, они добились того, что вычислительный эксперимент формировал практически те же структуры, что они наблюдали на практике. Отчет о проделанной работе был опубликован в журнале Physical Review Letters.
Для выяснения, какой из факторов являлся определяющим при формировании структур (и, соответственно, для получения аналогичных структур в других потоках), команда рассматривала достаточно распространенное движение жидкости в цилиндрическом контейнере, состоящее из двух перпендикулярных потоков: конвекции (жидкость движется вверх в центре и вниз по бокам) и кольца отдельных вихрей, расположенных вокруг оси цилиндра (каждый из которых движется в направлении, противоположном своим соседям). Далее рассчитывались траектории каждой отдельной частицы.
Ученые обнаружили, что со временем силы, действующие на частицы в жидкости, приводили к тому, что движения частиц становились синхронизированными. При этом, если частица по каким-то причинам «выбивалась» из этой синхронизации, те же силы «возвращали» ее назад. В результате по всему объему жидкости формировалась нить, обращающаяся как единое целое вокруг центральной оси цилиндра.
Научная группа полагает, что подобный механизм может встречаться в различных типах жидкостей. Соответственно, он может принимать участие и в формировании планет.
Исследования в будущем могут оказаться полезны для создания микрожидкостных устройств, в особенности, если ученые научатся контролировать формируемые структуры.
Также по теме:
Источники: