Фізики з Франції та Великобританії з'ясували, як на ймовірність утворення бризок при падінні краплі рідини на поверхню впливає жорсткість цієї поверхні, робота дає вченим інструмент для створення бризгогасних поверхонь для роботи з небезпечними препаратами і речовинами. Дослідження опубліковано в журналі (препринт), коротко про нього повідомляє.
Перебіг в'язкої рідини, в тому числі і розтікання краплі, описується рівняннями Навьє-Стокса. Для цих рівнянь не знайдено рішення в загальному випадку, а саме його існування і гладкість - одне із завдань тисячоліття. Через це важко теоретично моделювати різні процеси в рідинах. Тому багато явищ виявляються і описуються в першу чергу експериментально. Наприклад, нещодавно фізики з'ясували, що краплі в'язкої рідини, розтікаючись в менш в'язких рідинах, приймають форму «казанка».
З розтіканням краплі пов'язаний і інший, набагато більш відомий процес - утворення бризок. При падінні краплі на поверхню з досить великою швидкістю відбувається розбризкування. Цей побічний процес може бути небезпечний в тому випадку, якщо мова йде не про краплю води або фарби, а про інші, більш токсичні рідини.
Автори нової роботи провели серію експериментів, щоб з'ясувати, в яких умовах можна придушити розбризкування і які процеси за це відповідають. Вчені кидали краплі етанолу на поверхні з різною пружністю і стежили за їхньою поведінкою за допомогою високошвидкісної камери. Фізики порівнювали між собою жорсткий акриловий пластик (з високим модулем Юнга, близько трьох гігапаскаль) і різні силіконові гелі (модуль Юнга від 5,5 до 430 кілопаскаль). Краплі розвивали до моменту падіння швидкість від двох до дев'яти метрів за секунду, залежно від висоти, з якої вони падали.
Виявилося, що при зниженні жорсткості поверхні збільшувалася мінімальна висота, при якій спостерігалося розбризкування. Так, у разі найменш жорсткого силіконового гелю цей параметр становив 55 сантиметрів, в той час як для жорсткого акрилового пластику - всього 29 сантиметрів. Фізики провели чисельне комп'ютерне моделювання для того, щоб з'ясувати причину цього ефекту.
У момент зближення краплі з поверхнею виникає гальмуюче зусилля - його викликає стискається шар повітря, що залишився між поверхнею і краплею. Воно стає джерелом тиску, що сплющує нижню поверхню краплі і збільшує площу її майбутнього контакту з поверхнею. Потім тиск перерозподіляється до країв краплі - прошарок повітря прагне покинути простір між краплею і поверхнею. Максимальний тиск досягається на краях, він і відповідальний за розбризкування крапель.
Вчені з'ясували, що знизити пікову величину тиску вдається за рахунок деформації поверхні в перші 30 мілісекунд після падіння краплі. Хоча ця деформація поглинає лише соті частки кінетичної енергії всієї краплі, вона значно впливає на тонкий прошарок повітря, знижуючи швидкість його викиду з під краплі. За словами авторів, це дозволяє розробити нові види покриттів, що запобігають розбризкуванню. Для гасіння бризок при характерній висоті падіння крапель в кілька міліметрів підійдуть гелі з широким діапазоном властивостей.
Раніше фізики вивчали й інші аспекти поведінки крапель рідин. Так, вчені з Прінстонського університету стежили за висиханням крапель віскі (при цьому виникають незвичайні візерунки) і запропонували нову методику для створення рівномірних покриттів. Інша група фізиків виявила три сценарії замерзання крапель води, а нещодавно дослідники з'ясували, чому краплі рідини рухаються на гелях стрибкоподібно.