|
Колебание капель в космосе подтверждает теорию
|
|
|
|
В то время, когда астрономы всего мира наслаждаются новыми взглядами на далекий космос, эксперимент на Международной космической станции дал исследователям Корнелла новое представление о чем-то более близком к дому: воде. В частности, микрогравитация на космической станции пролила свет на то, как капли воды колеблются и распространяются по твердым поверхностям. Это знание может найти весьма приземленное применение в 3D-печати, распылительном охлаждении, производстве и нанесении покрытий. Статья исследовательской группы «Колебания капель с подвижными контактными линиями на Международной космической станции: объяснение земного инерционного распространения капель» была опубликована 16 августа в Physical Review Letters. Ведущий автор — Джошуа МакКрейни, доктор философии.
|
|
|
|
Эксперимент и его результаты, хотя и успешны, также являются горько-сладкими. Соавтор статьи Пол Стин, профессор Максвелла М. Апсона в Школе химической и биомолекулярной инженерии Смита в Инженерном колледже, умер в сентябре 2020 года, незадолго до проведения эксперимента. «Грустно, что Пол не смог увидеть запуск экспериментов в космос», — сказала соавтор Сьюзен Дэниел, профессор Фреда Х. Родса в Школе химической и биомолекулярной инженерии Смита и давний сотрудник Стина. «Мы надеемся, что в конце концов поступили правильно по отношению к нему, и что бумага, которую мы создали в результате работы, заставит его гордиться».
|
|
|
Дэниел начал сотрудничать со Стин вскоре после того, как она впервые пришла в Корнелл в качестве доцента в 2007 году. Хотя ее текущие исследования сосредоточены на биологическом интерфейсе коронавируса, ее дипломная работа была посвящена химическим интерфейсам и гидромеханике — области, в которой Стин была продвижение ряда теоретических предсказаний, основанных на том, как капли резонируют при воздействии вибраций. Два исследователя мгновенно соединились.
|
|
|
|
«Он знал теорию и делал предсказания, а я знал, как проводить эксперименты для их проверки», — сказал Дэниел. «По сути, с того момента, как я попал сюда в 2007 году, и до его смерти мы работали над тем, чтобы понять, как жидкости и поверхности взаимодействуют друг с другом, и как ведет себя контактная линия на границе раздела между ними в различных условиях». Результатом их сотрудничества стал «фотоальбом» десятков возможных форм, которые может принимать колеблющаяся капля воды. Позже Стин расширил этот проект, каталогизировав энергетические состояния капель, о чем свидетельствуют эти резонансные формы, организовав их в классификацию «периодической таблицы».
|
|
|
|
В 2016 году Стин и Дэниел получили четырехлетний грант от Национального научного фонда (NSF) и Центра развития науки в космосе НАСА на проведение исследований гидродинамики на борту Международной космической станции Национальной лаборатории США. Космос — идеальное место для изучения поведения жидкостей из-за радикального уменьшения гравитации, которая на МКС составляет примерно одну миллионную от ее земного уровня. Это означает, что взаимодействия жидкости с поверхностью, которые настолько малы и быстры на Земле, что практически невидимы, в космосе могут быть почти в 10 раз больше — от микронов до сантиметров, — а их продолжительность замедляется почти в 30 раз.
|
|
|
|
«Сложнее изучать эти движения капли экспериментально и фундаментально, когда на вашем пути есть гравитация», — сказал Дэниел. Стин и Дэниел выбрали несколько резонансных форм из своего фотоальбома, которые они хотели подробно изучить, сосредоточив внимание на том, как контактная линия капли воды — или внешний край — скользит вперед и назад по поверхности, определяя способ распространения жидкости. , явление, которым можно управлять, изменяя частоты вибрации. Команда подготовила подробные инструкции для астронавтов, объединив четыре года планирования в несколько минут эксперимента, в котором каждая секунда была четко поставлена.
|
|
|
|
Под наблюдением исследователей и обеспечением обратной связи в реальном времени на земле астронавты наносили капли воды объемом 10 мл с помощью шприца на девять различных гидрофобных поверхностей с разной степенью шероховатости. Они также заставляли пары капель сливаться вместе, помещали капли на осциллятор и настраивали его вибрации для достижения нужных резонансных форм. Покачивающиеся и покачивающиеся движения капель воды были сняты на пленку, и исследователи провели следующий год, анализируя данные.
|
|
|
|
Этот анализ в конечном итоге подтвердил теории Стина о том, как плотность жидкости и поверхностное натяжение контролируют подвижность контактной линии, преодолевая шероховатость поверхности. Дэниел благодарит соавтора Джошуа Боствика, доктора философии, бывшего ученика Стина, а ныне адъюнкт-профессора Stanzione Collaboration в Университете Клемсона, который обеспечил соответствие результатов эксперимента теоретическим предсказаниям Стина.
|
|
|
|
«Джош смог продолжить теоретическую часть этой работы в отсутствие Пола, чего я не был готов вмешиваться и делать. Было приятно, что он снова присоединился к команде и помог нам убедиться, что мы можем извлечь все, что можно, из собранных нами данных», — сказал Даниэль. «Теперь мы можем использовать теорию, созданную Полом, чтобы делать прогнозы, например, в процессах, когда вы распыляете капли на поверхности, или в 3D-печати, или где жидкости очень быстро распространяются по поверхности». Ванесса Керн, доктор философии. также был соавтором статьи.
|
|
|
|
Источник
|
