Первое в своем роде исследование, проведенное учеными Университета городов-побратимов Миннесоты, показывает, почему капли жидкости обладают способностью разрушать твердые поверхности, сообщает Phys. Открытие может помочь инженерам разработать лучшие, более устойчивые к эрозии материалы. Используя недавно разработанный метод, исследователи смогли измерить скрытые величины, такие как напряжение сдвига и давление, создаваемое ударом капель жидкости о поверхности, явление, которое когда-либо изучалось только визуально. Статья опубликована в Nature Communications. Исследователи годами изучают воздействие капель, от того, как капли дождя падают на землю, до передачи патогенов, таких как COVID-19, в аэрозолях. Общеизвестно, что медленно капающие капли воды со временем могут разрушать поверхности. Но почему что-то, казалось бы, мягкое и текучее, может оказывать такое огромное влияние на твердые поверхности?
«Как в восточной, так и в западной культурах есть похожие поговорки о том, что «капляющая вода выдалбливает камень», - объясняет Сян Ченг, старший автор статьи и доцент кафедры химической инженерии и материаловедения Миннесотского университета. «Такие высказывания призваны преподать моральный урок: «Будь настойчив. Даже если ты слаб, если ты постоянно что-то делаешь, ты окажешь влияние». Но когда у вас есть что-то такое мягкое, как капли, ударяющиеся о что-то такое твердое, как камни, вы не можете не задаться вопросом: «Почему падение вообще вызывает какие-либо повреждения?» Этот вопрос мотивировал наше исследование». В прошлом воздействие капель анализировалось только визуально с помощью высокоскоростных камер. Новый метод исследователей из Университета Миннесоты, называемый высокоскоростной микроскопией напряжения, обеспечивает более количественный способ изучения этого явления путем непосредственного измерения силы, напряжения и давления под каплями жидкости, когда они ударяются о поверхности.
Исследователи обнаружили, что сила, создаваемая каплей, на самом деле распространяется вместе с падающей каплей, а не концентрируется в центре капли, а скорость, с которой капля распространяется, превышает скорость звука на коротких промежутках времени, создавая ударную волну. волна по поверхности. Каждая капля ведет себя как маленькая бомба, взрывно высвобождая энергию удара и придавая ей силу, необходимую для эрозии поверхностей с течением времени. Помимо того, что это исследование открывает новый способ изучения воздействия капель, это исследование может помочь инженерам разработать более устойчивые к эрозии поверхности для приложений, которые должны выдерживать внешние факторы. Ченг и его лаборатория в Университете городов-побратимов Миннесоты уже планируют расширить это исследование, чтобы изучить, как различные текстуры и материалы изменяют величину силы, создаваемой каплями жидкости.
«Например, мы красим поверхность здания или наносим покрытие на лопасти ветряных турбин, чтобы защитить поверхности», - сказал Ченг. «Но со временем капли дождя все еще могут причинять ущерб при ударе. Итак, наше исследование после этой статьи состоит в том, чтобы увидеть, можем ли мы уменьшить величину напряжения сдвига капель, что позволило бы нам спроектировать специальные поверхности, которые могут уменьшить напряжение". Помимо Ченга, в исследовательскую группу входил доктор химических наук Университета Миннесоты. студент Тинг-Пи Сун, Университет Сантьяго, Чили, доцент Леонардо Гордильо и студенты бакалавриата Франко Альварес-Новоа и Клебберт Андраде, а также доцент Университета О'Хиггинса, Чили, Пабло Гутьеррес.
