 Когда вы проливаете немного воды на столе, лужица распространяется, - и потом останавливается, оставляя хорошо определенную область воды с резкой границей.
Есть только одна проблема: Формулы, которые ученые используют для описания такого потока жидкости, утверждают, что вода должна просто распространяться бесконечно. Всем известно, что это не так - но почему?
Эта тайна теперь решена учеными Массачусетского технологического института - и в то время как это явление может показаться тривиальным, последствия его нахождения могут быть значительными. Понимание таких текучих жидкостей имеет важное значение для таких процессов, как смазка зубчатых передач и механизмы для потенциального поглощения выбросов двуокиси углерода в пористых подземных пластах.
Новые данные представлены в статье Рубена Хуанеса, доцента гражданской и экологической инженерии, аспиранта Амира Пехлевана, научного сотрудника Луис Куэто-Фелгеросо и профессора по машиностроению Гарета Мак-Кинли.
«Классическая модель тонкой пленки описывает распространение пленки жидкости, но она не прогнозируют ее остановку», говорит Пехлеван. Оказывается, что только на молекулярном уровне силы, ответственные за остановку потока, начинают появляться. И хотя эти силы очень малы, их влияние изменяет то как ведет себя жидкость, что является очевидным, на гораздо большем масштабе.
«На макроскопическом виде этой проблемы, нет ничего, что могло бы остановить распространению лужицы. Там чего-то не хватает». говорит Пехлеван.
Классические описания распространения имеют ряд несогласованностей: Например, они требуют бесконечного силы, чтобы заставить лужицы начать растекаться. Но рядом с краем лужи, «интерфейсы жидкость-твердотело и жидкость-воздух начинают чувствовать друг друга», говорит Пехлеван. «Это и есть недостающие межмолекулярные силы в макроскопическом описании». По если словам, правильный учет этих сил решает предыдущие парадоксы.
«Что поражает здесь, так это то, что на самом деле силы, останавливающие лужу, действуют только на наноуровне. Это очень красиво иллюстрирует то, как нанофизика влияет на нашу повседневную жизнь», говорит он.
Но принципы, связанные с этом, влияют на множество различных ситуаций, где способность рассчитать характер поведения жидкости будет иметь важные последствия. Например, понимание этих эффектов может иметь важное значение для выяснения, сколько нефти необходимо, чтобы держать зубчатую передачу от сухого хода, или сколько бурения «грязи» необходимо, чтобы держать нефтяную буровую установку в гладком рабочем состоянии. Оба процесса связаны с потоками тонких пленок жидкости.
Многие более сложные потоки жидкостей также приводят к тем же основополагающих принципам – например процесс удаления диоксида углерода из выбросов от сжигания ископаемого топлива и закачки в подземные пласты, такие как пористой породы. Понимание того, как введенная жидкость будет распространяться через поры в скалах, вытесняя воду при возможности, имеет важное значение в прогнозировании того, насколько стабильными такие инъекции могут быть.
«Вы начинаете с чего-то очень простого, как распространение лужи, но вы получите в результате что-то очень фундаментальное, связанное с межмолекулярными силами», говорит Хуанес. «Тот же самый процесс, та же физика, будет в игре во многих сложных течениях».
Другая область, где новые результаты могут быть важны - разработка микрочипов. По мере того, как их размеры становятся все меньше и меньше, контроль накопления тепла становится основной инженерной проблемой; некоторые новые системы используют жидкости, чтобы рассеять это тепла. Понимание того, как такие охлаждающие жидкости будет протекать и распространяться через чип, может стать важным для проектирования таких систем.
Этот первоначальный анализ имел дело только с идеально гладкими поверхностями. Следующим шагом будет расширение анализа, включая потоки жидкости на более шероховатых поверхностях. «Эта работа позволит нам лучше описать многофазные потоков в сложных геометриях, таких как грубые разломы и пористые среды», говорит Хуанес.
|
