Новости науки 21.03.01. Стабилизация неустойчивых жидких "конструкций"
звуком.
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.
Рис.1. Схема эксперимента: жидкий мостик находится в узле стоячей
волны (справа акустический преобразователь, слева - цилиндрический
отражатель).
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). В отсутствие силы тяжести мостик является устойчивым до тех пор, пока его длина не
превышает 2p R, 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). 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.
Рис.2. Стабилизация звуком мостика с закритической длиной.
В момент времени 0 (фотография d) звук был выключен.
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).
|