Przecław News

Informacje o Polsce. Wybierz tematy, o których chcesz dowiedzieć się więcej w Wiadomościach Przecławia.

Naukowcy z MIT ujawniają, dlaczego kropelki wody poruszają się szybciej na gorącej, pokrytej olejem powierzchni

Powiększenie / Naukowcy ustalili, dlaczego kropelki są popychane po gorącej, oleistej powierzchni 100 razy szybciej niż na gołym metalu. Powyższe obrazy ujawniają mechanizmy powodujące szybki ruch.

Jest klasyka 2009 Pogromcy mitów epizod Gdzie gospodarze wyjaśniają, jak ktoś może zmoczyć rękę i krótko ją zanurzyć w stopionym ołowiu bez obrażeń. Mechanizm ochronny jest znany jako „efekt Leidenfrosta” i może pewnego dnia okazać się przydatny między innymi w urządzeniach mikroprzepływowych, zwłaszcza w środowiskach mikrograwitacyjnych. Jesteśmy o krok bliżej do realizacji tych zastosowań dzięki nowemu wglądowi w zjawisko ujawnione przez naukowców z MIT. Swoje odkrycia opisują w: ostatni artykuł Opublikowane w fizycznych pismach przeglądowych.

takie jak Powiadom nas wcześniejHistoria wpływów Leidenfrosta sięga 1756 roku. Wtedy to niemiecki naukowiec Johann Gottlob Leidenfrost Zwróć uwagę, że chociaż woda rozpryskuje się na bardzo gorącej patelni, skwierczy i bardzo szybko odparowuje, coś się zmienia, gdy temperatura patelni jest znacznie wyższa od temperatury wrzenia wody. Kiedy tak się stanie, jak odkrył Leidenfrost, „lśniące kropelki przypominające siarkę rtęciową” utworzą się i przetoczą po powierzchni.

W ciągu następnych 250 lat fizycy wymyślili realne wyjaśnienie, dlaczego tak się stało. Jeśli temperatura powierzchni wynosi co najmniej 400 stopni Fahrenheita (znacznie powyżej temperatury wrzenia wody), pod kroplami tworzą się poduszki z pary wodnej lub pary wodnej, utrzymując je w górze. Kropla może ślizgać się po powierzchni z niewielkim tarciem. Efekt Leidenfrosta działa również z innymi płynami, w tym olejami i alkoholem, ale temperatura, w której się pojawia („punkt Leidenfrosta”), będzie inna.

Fizycy dowiadują się więcej o tym efekcie od dwóch stuleci. na przykład, Francuscy fizycy odkryli w 2018 roku Że krople nie tylko spływają po poduszce pary; Dopóki nie jest za duży, sam się pcha. nieprawidłowe działanie przepływu płynu wewnątrz kropli Leidenfrosta, zachowywać się jak Mały dysk wewnętrzny. Gdy krople wyparowały, stając się mniejsze i bardziej kuliste, zaczęły toczyć się jak koło (znane również jako „Leidenfrost عجلة koło„).

READ  Kosmiczna tajemnica: Astronomowie uchwycają umierające gwiazdy wyrzucające pierścienie dymu

A w 2019 roku międzynarodowy zespół naukowców W końcu ustaliłem źródło Z towarzyszącego odgłosu trzaskania zgłoszonego przez Leidenfrosta. Naukowcy znalazłem to To zależy od wielkości kropli. Małe krople ześlizgną się z powierzchni i wyparują, podczas gdy większe eksplodują podczas tej stymulującej przerwy. Winowajcą są zanieczyszczenia w postaci cząstek znajdujących się w prawie każdej cieczy. Większe kropelki zaczynają się od wyższego stężenia zanieczyszczeń, a stężenie to wzrasta wraz z kurczeniem się kropelek. Kończą w tak wysokim stężeniu, że cząsteczki powoli tworzą rodzaj skorupy wokół kropli. Ten pocisk koliduje z poduszką parową, która utrzymuje kroplę wysoko i eksploduje, gdy uderza w powierzchnię.

W 2019 roku francuscy fizycy odkryli, że kropelki Leidenfrosta generują własną dynamikę i własny napęd pomimo braku pola zewnętrznego, co skutkuje „kołami Leidenfrosta”.

Współautorzy tego najnowszego artykułu (inżynier mechanik z MIT Kripa Varanasi i jego doktorant Victor Giulio Leon) są zainteresowani wykorzystaniem efektu Leidenfrosta do praktycznych zastosowań. Przeprowadzili serię eksperymentów, które polegały na upuszczaniu kropelek wody o rozmiarach milimetrów na gorące powierzchnie stałe — wafle krzemowe o grubości od 10 do 100 mikronów — pokrytych cienkimi filmami różnych rodzajów oleju i fotografowanie tego, co stało się za pomocą szybkich kamer.

Przewidywali, że kropelki Leidenfrosta poruszają się wolniej na powierzchni pokrytej olejem, ponieważ olej jest około 100 razy bardziej lepki niż powietrze, a zatem powoduje większe tarcie niż warstewka pary. Ale kiedy naukowcy przeanalizowali materiał filmowy, odkryli, że stało się odwrotnie: krople Leidenfrosta ślizgały się znacznie szybciej w przypadkowych kierunkach na powierzchniach pokrytych olejem niż na zwykłych powierzchniach metalowych.

„Byliśmy zdumieni na wielu poziomach tym, co się dzieje, ponieważ efekt był tak nieoczekiwany” Varanasi powiedział. „To dość skomplikowana odpowiedź na to, co może wydawać się proste, ale naprawdę tworzy tak szybki impuls”. Inne badanie wykazało, że w odpowiednich warunkach na zewnątrz każdej kropli tworzy się cienka warstwa, jak płaszcz. Gdy kropla stała się gorętsza, małe pęcherzyki pary wodnej zaczęły tworzyć się między kroplą a olejem, a następnie oddaliły się. Kolejne pęcherzyki zwykle formowały się w pobliżu tych samych punktów, tworząc pojedynczą ścieżkę pary, która napędzałaby kropelkę w preferowanym kierunku.

małe bąbelki

Powstawanie mikropęcherzyków zachodzi również znacznie szybciej niż przenoszenie ciepła przez warstwę oleju. Powstała asymetria oznacza mniejsze tarcie pod bańką, co szybko odpycha ją od gorącej, oleistej powierzchni. Varanasi przedstawił analogię między filmem olejowym, czyli efektem maskowania, a gumą balonową. Siła pękania pęcherzyków pary powoduje, że „balon” odlatuje, „ponieważ z jednej strony wylatuje powietrze, co powoduje przeniesienie pędu” Powiedział.

Wśród potencjalnych zastosowań znajdują się roboty precyzyjne, systemy odladzania i powierzchnie samoczyszczące, które usuwają zanieczyszczenia, takie jak sól, w celu uniknięcia uszkodzeń w wyniku nagromadzenia. Do tej pory pchnięcia kropel wody ograniczały się do kilku milimetrów na sekundę. Jednak spadki w eksperymentach w Varanasi i Lyonie poruszały się znacznie szybciej: około 10 cm/s.

Kilka różnych czynników, takich jak wielkość kropelek, grubość i lepkość filmu olejowego, tekstura powierzchni i przewodność cieplna, może wpływać na kierunek samonaporu. Dlatego autorzy przyznają, że nie potrafią jeszcze precyzyjnie kontrolować tego trendu. Jednak doszli do wniosku: „Dalsze badania nad formowaniem się początkowej asymetrii i dynamiką maskowania bogatych kropel oleju mogą rzucić światło na sposób kontrolowania punktu Leidenfrosta na cienkich warstwach cieczy i kierunku samorzutu na powierzchnię”. „Taka powierzchnia może szybko i w sposób kontrolowany usuwać korozyjne kropelki i brud z gorących powierzchni”.

DOI: Physical Review Letters, 2021. 0.1103 / Viserfleet 127.074502 (O DOI).