Последние новости науки

Стабилизация неустойчивых жидких "конструкций" звуком (статья Е.Онищенко из электронного журнала Scientific.ru)

Повседневный опыт учит нас, что струя жидкости распадается на капли. Это явление издавна привлекало внимание исследователей, однако объяснение было найдено только в XIX веке. Плато и Рэлей показали, что распад струи жидкости на капли связан с поверхностным натяжением. Не только теоретический, но и практический интерес представляет изучение влияния внешних воздейстий на подобные системы со свободными поверхностями, в частности, возможность подавления неустойчивости внешним воздействием. В работе [1] предложен новый способ борьбы с неустойчивостью - пассивная стабилизация звуком.

В последние десятилетия создано множество устройств (от спрэев до струйных принтеров), в которых "работают" струи жидкости и капли. Неудивительно потому, что исследования в этой области идут достаточно активно. Одним из модельных объектов исследования являются так называемые жидкие "мостики" - цилиндрические жидкие "колонны", соединяющие два твердых диска (рис.1).


Рис.1. Схема эксперимента: жидкий мостик находится в узле стоячей волны (справа акустический преобразователь, слева - цилиндрический отражатель).

В отсутствие силы тяжести мостик является устойчивым до тех пор, пока его длина не превышает 2pR, где R - радиус цилиндра. Если же длина мостика превышает критическое значение, то один из концов колонки начинает утолщаться, а другой - утоньшаться и, в конечном итоге, мостик разрывается (неустойчивость Рэлея-Плато, фотографии (d) - (h) на рис.2).


Рис.2. Стабилизация звуком мостика с закритической длиной. В момент времени 0 (фотография d) звук был выключен.

Причина возникновения подобной неучтойчивости состоит в том, что для мостика с длиной, превышающей критическую, поверхностная свободная энергия уменьшается с ростом асимметрии. Однако неустойчивую "конструкцию" можно стабилизировать внешним воздействием, например, звуковой волной. В некотором диапазоне длин волн давление звука на поверхность жидкой колонны быстро растет с ростом радиуса цилиндра R. Соответственно, при образовании утолщения давление на "утолщенную" часть колонны возрастает и мостик автоматически "поджимается" в данном месте.

Исследователи помещали жидкий мостик (раствор воды и глицерина) в узел стоячей звуковой волны (рис.1). Для проведения экспериментов в условиях невесомости использовался самолет НАСА КС-135. Удалось добиться устойчивости мостиков с длиной, почти в полтора раза превышающей критическое значение. К сожалению, кратковременность условий искусственной невесомости затрудняет определение границ применимости методики пассивной стабилизации.

1. Mark J.Marr-Lyon, David B.Thiessen, and Philip L.Marston. Phys.Rev.Lett. v.86, 2293 (2001).


Цитируется по http://www.scientific.ru/.


[ Предыдущее сообщение     Оглавление     Последующее сообщение ]



vlad@ssl.nsu.ru