Небрежные, грязные лужи, созданные летними ливнями, обязаны своими границами провалам в тротуаре или земле. Но если бокал вина проливается на (гипотетически) совершенно плоскую столешницу, что мешает луже растекаться вечно? До сих пор физики, описывающие потоки жидкости, не могли объяснить, почему лужи останавливаются.
Исследователи из Массачусетского технологического института имеют ответ, сообщает Чарльз К. Чой для Inside Science .
Используя классическую модель, физики описывают растекание жидкости как результат «конкуренции между гравитацией и поверхностным натяжением», пишет Чой. Гравитация вытягивает жидкость и распространяет лужу, в то время как поверхностное натяжение, при котором молекулы плотно прилегают друг к другу, заставляет капли образовывать шарики.
Но хотя классическая модель может использоваться для объяснения окончательной формы лужи, она не объясняет, как лужа начала распространяться в первую очередь. Вместо этого, расчеты подразумевают, что силы на краю лужи будут слишком сильны, чтобы вообще распространяться. «В макроскопическом взгляде на эту проблему нет ничего, что могло бы остановить распространение лужи. Здесь чего-то не хватает », - объясняет Амир Пахлаван, аспирант MIT в пресс-релизе.
Ясно, что лужи распространяются, поэтому физики настраивают свою модель, чтобы объяснить, почему. Майкл Ширбер пишет для APS Physics :
Одним из популярных решений является предположение, что тонкая микроскопическая пленка покрывает поверхность перед лужей. Такие пленки-предшественники наблюдались для луж, которые полностью расширяются до тонкого плоского листа - так называемый случай «полного смачивания», - но они не могут объяснить лужи, которые распространяются на небольшое расстояние и затем останавливаются (частичное смачивание).
Теперь Пахлаван и его коллеги выяснили, что останавливает лужу - силы, действующие на наноуровне. Исследователи рассматривали пленку жидкости толщиной менее 100 нанометров, где начинает действовать нечто, называемое силой Ван-дер-Ваальса. Это взаимодействие описывает явление, когда облако электронов, гудящих вокруг атома, случайно колеблется, и их заряд имеет тенденцию накапливаться в одной области молекулы, создавая слегка положительные и слегка отрицательные области. Соседние молекулы делают то же самое, в результате чего молекулы либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга.
Этих сил, действующих внутри жидкости, воздуха вокруг ванны и поверхности, на которой она находится, достаточно, чтобы препятствовать распространению ванны независимо от ее размера. Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Physical Review Letters .
Их модель могла бы найти применение для ряда вещей, от охлаждения электроники путем протекания жидкости над ними до улавливания углекислого газа под землей (некоторые планы включают закачку нагруженной диоксидом углерода жидкости в пористую породу). Но для этих применений исследователям потребуется расширить модель, чтобы объяснить, как жидкости текут по неровной поверхности. «Реальная поверхность никогда не бывает абсолютно плоской и гладкой», - говорит Пахлаван Чой для Inside Science . «[T] здесь всегда следует принимать во внимание некоторую грубость, которая вызывает появление многих новых функций».
