Понимание того, как капли воды распространяются и сливаются, может быть полезно для повседневной жизни. Если мы будем понимать поведение капель дождя, падающих с автомобилей, самолетов и крыш, мы сможем улучшить комфорт нашей жизни. Но куда важней понимание таких процессов в области производства энергии, аэрокосмической техники и адгезии клеток на микроуровне. Однако эти явления трудно моделировать и сложно наблюдать экспериментально.
В публикации Physics of Fluids, опубликованной AIP Publishing, исследователи из Корнельского университета и Университета Клемсона разработали и проанализировали эксперименты с каплями, которые проводились на Международной космической станции (МКС). Сюдя по полученным результатам — это единственная доступная человечеству лаборатория, которая позволит в серьез заняться изучением физики воды.
Капли обычно выглядят как маленькие сферические шапочки из воды, потому что их поверхностное натяжение превышает гравитацию. Если капли становятся намного больше, они начинают терять свою сферическую форму, и гравитация превращает их в нечто, больше похожее на лужи. Если мы хотим анализировать капли на Земле, нам нужно делать это в очень малых масштабах.
Но в малых масштабах динамика капель слишком быстра, чтобы ее можно было наблюдать. Итак, МКС. Меньшая гравитация в космосе означает, что команда может исследовать более крупные капли, от пары миллиметров в диаметре до сантиметровых величин.
Исследователи отправили на МКС четыре разные поверхности с различными свойствами шероховатости, где они были смонтированы на лабораторном столе. Камеры зафиксировали капли по мере их распространения и слияния.
Астронавты NASA Кэтлин Рубинс и Майкл Хопкинс помещали одну каплю нужного размера в центральное место на поверхности. Эта капля находится рядом, но не касается небольшого иллюминатора, предварительно просверленного в поверхности. Затем астронавт впрыскивает воду через иллюминатор, которая собирает и, по сути, выращивает соседнюю каплю. Инъекция продолжается до тех пор, пока две капли не соприкоснутся, после чего они сливаются.
Эксперименты были направлены на проверку модели Дэвиса-Хокинга, простого способа имитации капель. Если капля воды находится на поверхности, часть ее касается воздуха и создает границу раздела, а часть, соприкасающаяся с поверхностью, образует край или линию контакта. Модель Дэвиса-Хокинга описывает уравнение для контактной линии. Экспериментальные результаты подтвердили и расширили пространство параметров модели Дэвиса-Хокинга.
