При каких условиях «рвется» жидкость
 Первоначально единый поток жидкости разбивается на отдельные капли. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Для оптимизации различных устройств, использующих жидкие среды, в том числе простейшего – струйного принтера, ученые хотели бы предсказывать поведение потока жидкости в воздухе. Вычислительный эксперимент, проведенный ранее другой научной группой, подтверждает теорию о том, что вязкость препятствует распаду струи жидкости на отдельные капли. Но это предположение ученые смогли проверить лишь для узкого диапазона вязкостей. Главная экспериментальная проблема заключается в том, что для жидкостей с высокой вязкостью крайне сложно создать длинную струю.
Группа ученых из Cambridge University (Великобритания) предложили свое решение этой проблемы при помощи агрегата, напоминающего по конструкции струйный принтер. Устройство позволяет испускать через сопло струю жидкости при помощи электрически-контролируемого давления. А поскольку гравитация не имеет никакого влияния на этот процесс, струи жидкости испускаются из устройства вниз и контролируются при помощи высокоскоростной камеры. Единственное отличие указанного аппарата от струйного принтера заключается в том, что он имеет сопла гораздо меньшего диаметра, чем в любом из коммерческих устройств. В последние годы команда использовала это устройство для изучения различных аспектов струйных процессов.
Используя различные смеси глицерина и воды, вместе с другими свойствами, ученые смогли изменять эффективную вязкость экспериментальной жидкости в 10 тысяч раз по сравнению с минимальным значением. Для каждой вязкости подбирались давления и время его действия, чтобы агрегат создавал одинаковые струи различной длины. Для некоторых вязкостей даже использовалась «двухтактная» техника, когда часть жидкости всасывалась в резервуар через сопла обратно, чтобы разорвать струю.
Команда зафиксировала изображения многих струй, так что смогла создать «карту» длин и вязкостей, способствующих распаду, а также тех, что поддерживают струю в виде единого целого. На их графике зависимости вязкости и длины существует четкая линия, разделяющая эти две ситуации. Интересно, что помимо участка, где данная кривая согласуется с предложенной ранее теорией, существует участок, где данные практического и вычислительного экспериментов расходятся. Ученые предполагают, что подобные отклонения могли быть вызваны погрешностью эксперимента (в частности, отклонением воссозданного процесса от идеальной ситуации, описанной в рамках моделирования). К примеру, свой вклад могла внести даже мелкая рябь на поверхности выпущенной соплом струи. Кроме того, свои ограничения могла иметь и теоретическая модель. Однако, это первый всеобъемлющий эксперимент по данной теории.
Подробные результаты работы представлены в журнале Physical Review Letters.
Также по теме:
Источники: