Пятна от кофе позволяют непосредственно проверить уравнение, описывающие широкий круг физических явлений
 Колония бактерий, распространение фронта которой подчиняется уравнению КПЖ. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Природа образования коричневых контуров, оставляемых на столе пролитым кофе, была подробно объяснена еще в 1997 году. Когда вода на краю такой капли испаряется, оставшаяся жидкость течет в направлении от центра, чтобы заполнить освободившееся пространство, неся в себе коричневые частицы кофе (которые, как раз, и оставляют темные кольца, когда жидкость испаряется до конца). В прошлом году группа ученых из University of Pennsylvania (США) показала, что может блокировать образование колец, просто добавив эллипсоидальные частицы в кофейную взвесь. В отличие от сферических частиц кофе, эллипсоидальные частицы держатся вместе за счет взаимодействия с поверхностью жидкости вблизи краев капли. Таким образом, они не переносятся вместе с жидкостью к краю капли и формируют сгустков в процессе ее высыхания. В результате радиус пятна увеличивается, а внутренний край кольца движется по направлению к центру по мере высыхания капли.
Это движение края кольца попалось на глаза математику из Massachusetts Institute of Technology (США), который предположил, что процесс можно описать с помощью уравнения Кардара—Паризи—Жанга (КПЖ или Kardar-Parisi-Zhang, KPZ). Данное уравнение предполагает, что передвижения фронта в каждый момент времени зависят как от случайности, так и от его локальной кривизны. Кстати, аналогичное уравнение применяется для описания широкого круга физических явлений, в частности, перемещения пламени по сигаретной бумаге, расширения колонии бактерий или перемещения границы порядка и беспорядка в жидком кристалле.
Уравнения КПЖ дает возможность сделать некоторые предсказания относительно поведения распространяющегося фронта. Однако ранее было крайне сложно проверить эти предсказания на эксперименте, поскольку было достаточно сложно контролировать перестраиваемую экспериментальную систему. Теперь же совместная команда из University of Pennsylvania и Massachusetts Institute of Technology доказала, что тем же законам подчиняются и высыхающие пятна жидкостей, содержащих взвеси несферических частиц, что существенно упростит экспериментальную работу с предсказаниями уравнения.
Для доказательства своих предположений, ученые использовали ранее разработанные методы для наблюдения высыхающих капель, а также предложили новые процедуры подсчета частиц взвеси для их сравнения с результатами решения уравнения КПЖ. Новые измерения показали, что экспериментальные результаты для жидкостей, содержащих несферические частицы взвеси, полностью соответствуют уравнению КПЖ.
Результаты своей работы ученые представили в журнале Physical Review Letters.
Также по теме:
- Ученые наблюдали «пустую» жидкость
- Размеры листьев фиксирует физика дерева
- Неожиданная турбулетность во всплеске
- Магнитное поле складывает оригами
- При каких условиях «рвется» жидкость
Источники: