«Понимание деформации и распространения капель во время удара может помочь в разработке более качественных поверхностей (путем изменения свойств поверхности) или лучших капель (путем изменения состава жидкости)», – объясняет Роджерио Маника из Института высокопроизводительных вычислений A * STAR в Сингапуре. "В некоторых приложениях цель состоит в том, чтобы полностью намочить поверхность, в то время как в других нам нужно, чтобы капли отскакивали от поверхности."
То, как капли жидкости деформируются и растекаются при столкновении с твердой поверхностью, важно для таких разнообразных приложений, как струйная печать, покраска и сельское хозяйство. Например, понимание явления падения при падении имеет решающее значение для оптимизации внесения удобрений и пестицидов в сельскохозяйственные культуры.
Хотя в предыдущих исследованиях были разработаны модели для описания взаимодействия капли с поверхностью, эти модели сложны и применимы лишь к узкому кругу ситуаций.
Теперь Маника с коллегами Эвертом Класебором и Дереком Чаном решили эту проблему, выведя простую, физически значимую формулу, которая подходит для широкого спектра экспериментальных систем.
«В то время как предыдущие теории были громоздкими и требовали серьезного обоснования, – говорит Маника, – мы разработали более простую модель, которую легко получить и которая дает значения, которые превосходно согласуются с имеющимися экспериментальными данными."
Исследователи разработали формулу, учитывая давление, которое создается в воздушном слое между падающей каплей и поверхностью на начальных этапах удара. Этот воздушный слой является результатом конкуренции между капиллярными, инерционными и, в меньшей степени, гравитационными силами.
Модель учитывает взаимосвязь между тремя параметрами: размером капли, скоростью удара и поверхностным натяжением. По сути, это включает добавление члена для давления торможения на основе хорошо известного уравнения Бернулли гидродинамики.
Уравнение предсказывает два режима начальной деформации капли: режим низкой скорости падения капли, в котором преобладают капиллярные силы, и режим высокой скорости капли, в котором преобладают силы инерции; гравитационные силы незначительны для капель размером в несколько миллиметров.
В будущем команда намерена расширить свою модель. «Наша цель – дальнейшее развитие теории, чтобы посмотреть не только на то, как капли деформируются, – говорит Маника, – но и на то, как капли распространяются в условиях, которые более актуальны для применения, например, при распространении инсектицидов»."