Капли (в сантиметровом масштабе) сливаются во время эксперимента на Международной космической станции. Предоставлено: Джош МакКрейни.

Понимание того, как капли воды распространяются и сливаются, необходимо для сценариев повседневной жизни, таких как капли дождя, падающие с автомобилей, самолетов и крыш, а также для приложений в области производства энергии, аэрокосмической техники и адгезии клеток на микроуровне. Однако эти явления трудно моделировать и сложно наблюдать экспериментально.

В области физики жидкостей исследователи из Корнельского университета и Университета Клемсона разработали и проанализировали эксперименты с каплями, которые проводились на Международной космической станции.

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», — сказал автор Джош МакКрейни из Корнельского университета. «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 10-кратной длины.

Капли (в сантиметровом масштабе) сливаются во время эксперимента на Международной космической станции. Предоставлено: Джош МакКрейни.

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 НАСА Кэтлин Рубинс и Майкл Хопкинс помещали одну каплю желаемого размера в центральное место на поверхности. Эта капля находится рядом, но не касается небольшого иллюминатора, предварительно просверленного в поверхности», — сказал МакКрени. «Затем астронавт впрыскивает воду через иллюминатор, который собирает и, по сути, выращивает соседнюю каплю. Впрыскивание 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.

Как первоначальный главный исследователь проекта, покойный профессор Пол Стин из Корнельского университета выписывал гранты, ездил к сотрудникам по всему миру, обучал докторантов и тщательно анализировал соответствующие наземные исследования, и все это с желанием увидеть, как его работа будет успешно проведена на борту МКС. . К сожалению, Стин умер всего за несколько месяцев до начала своих экспериментов.

Статья «Распространение капель, вызванное коалесценцией: эксперименты на борту Международной космической станции» написана Джошуа МакКрейни, Джонатаном Майклом Людвики, Джошуа Боствиком, Сьюзен Дэниел и Полом Стином. Статья была опубликована в журнале Physics of Fluids 13 декабря 2022 г.