Чому крапля молока левітує у вашій каві For Science
Різниця температур може затримати змішування холодної краплі в теплішу рідину. Явище щойно пояснили.
- Google +
- Друкувати
Крапля застуди не миттєво змішується з гарячою рідиною. Вона залишається кілька хвилин на поверхні, підвішеній на повітряній подушці.
Капніть краплю води на поверхню склянки води при тій же температурі: крапля відразу змішується з рештою рідини. Але зробіть те ж саме з краплею холодного молока в гарячій каві, і ви виявите, що може знадобитися деякий час, поки крапля змішається. Мікела Гері з Массачусетського технологічного інституту, США, та її колеги хотіли зрозуміти, коли настає ця затримка злиття.
Феномен затримки коалесценції вивчався з 19 століття, зокрема англійськими фізиками Осборном Рейнольдсом та Джоном Релі. Вони спостерігали, як краплі дощу, потрапляючи на поверхню калюжі або озера, спроектували крапельки, які могли залишатися на поверхні рідини протягом декількох хвилин, перш ніж зливатися в неї. З тих пір фізики зрозуміли, що коалесценція затримується через наявність повітряної подушки між краплею та рештою рідини. За своєю вагою крапля виганяє повітря, а потім може змішуватися. Але є багато параметрів, які можуть впливати на швидкість евакуації повітря, наприклад, поверхневий натяг рідин, їх склад тощо. Вважалося, що це також може бути результатом різниці температур, але деталі цього процесу ще не були повністю зрозумілі.
Мікела Гері та її колеги вивчали випадок рідини та краплі одного складу, але різних температур. Вони використовували силіконові олії різної в'язкості (від в'язкості води до 500 разів вище). Масляну ванну нагрівають, поки холодна крапля осідає на її поверхні шприцом. За допомогою високошвидкісної камери дослідники вимірювали час між відкладенням краплі та її зрощенням з рідиною.
Вони помітили, що затримка збільшується із різницею температур. Їм навіть вдалося підтримувати перепад рідини майже на 10 секунд з різницею температур 30 ° C для в'язкості, близької до в'язкості води. Команда фізиків також показала, що існує критичний поріг різниці температур, нижче якого коалесценція відбувається негайно. Цей поріг залежить від в'язкості. Вище порога затримка пропорційна різниці температур при потужності 2/3.
Потім Мікела Гері та її колеги змоделювали динаміку системи. Маючи в краплі освітлені лазером частинки, дослідники виявили в ній конвективний рух. Це не звичайна гравітаційна конвекція, а "конвенція Марангоні", що працює від поверхневого натягу. Дійсно, різниця температур між рідинами також передбачає передачу тепла від рідини до краплі. Оскільки остання не нагрівається рівномірно, температура на її поверхні поступово змінюється. Однак поверхневий натяг залежить від температури. Той факт, що поверхневий натяг не однаковий у всіх точках поверхні краплі, породжує ефект Марангоні. Цей ефект, виявлений в 19 столітті італійським фізиком і який, зокрема, пояснює сльози, що стікають по келихах вина, призводить до витіснення рідини з краплі, що породжує рух конвекції. Такий же ефект проявляється і в малому тазу.
Ці рухи у краплі та рідині також спричиняють більшу циркуляцію повітря в захопленому шарі під краплею. Тиск повітря в цьому шарі зростає і ускладнює евакуацію, що затримує зрощення. Коли різниця температур опускається нижче критичного температурного порогу, тиск зменшується, і шар повітря з часом евакуюється: відбувається коалесценція, відповідно до спостережень !