Autor je matematik na Univerzite vo Warwicku.
Od kvapiek dažďa, ktoré vás premočia po ceste do práce, až po kvapky kávy, ktoré určite skončia na vašom bielom tričku, keď do práce prídete. Mohli by ste si myslieť, že kvapky sú iba na obtiaž.
Kvapky ale pod banálnou fasádou skrývajú prirodzenú krásu a komplexnú fyziku, ktorú sa vedci pokúšajú rozlúštiť už desaťročia. Nedávno som do tejto oblasti prispel prácou na novej hypotéze, ktorá vysvetľuje, čo sa deje s kľúčovou tenkou vrstvou vzduchu medzi kvapkou vody a povrchom, ktorá spôsobuje špliechanie.
Životnosť špliechajúcej kvapky je len niekoľko tisícin sekundy a je príliš rýchla, aby sme ju videli. Na zachytenie tejto udalosti sme potrebovali priekopnícky pokrok vysokorýchlostného zobrazovania – najikonickejšia je Edgertonova Korunka mliečnej kvapky z roku 1957.
Tieto snímky súčasne zaujali predstavivosť verejnosti svojou estetickosťou a upútali vedcov svojou prekvapivou komplexnosťou. Ostáva otázka, prečo a kedy kvapky špliechajú?
Dnes dokážu kamery zachytiť viac ako milión obrazov za sekundu a ukázať jemné detaily špliechania. Tieto pokroky však prinášajú rovnaké množstvo otázok ako odpovedí. Mimoriadne pozorovania z NagelLabu z roku 2005 ukázali, že kľúčovú úlohu zohráva vzduch okolo kvapky. Znížením tlaku vzduchu sa dá špliechaniu zabrániť (pozrite si druhé video). Napríklad kvapky, ktoré špliechajú na úpätí Mount Everestu nemusia špliechať na jeho vrchole, kde je tlak vzduchu nižší.
Ako tsunami na pláži
Objavy naštartovali explóziu experimentov zameraných na odhalenie kurióznych detailov úlohy vzduchu. Nové experimentálne metódy ukázali neuveriteľnú dynamiku: milimetrové kvapky ovláda správanie mikroskopických povlakov vzduchu, ktoré sú tisíckrát menšie.
Efekt kávových prstencov. (zdroj: ROGER KARLSSON/FLICKR/CC)Kvapke sa dá zabrániť, aby sa pri kontakte s pevným povrchov nerozliala mikroskopickou vrstvou vzduchu, ktorú nedokáže odtlačiť. Ide pri tom o veľkosti rovnakých pomerov, ako keby centimetrová vrstva vzduchu zabránila vlne tsunami rozliať sa po pláži.
Pri takýchto prípadov môže časť kvapaliny odletieť od hlavnej kvapky a rozpadnúť sa na menšie kvapôčky, čím vzniká šplechnutie.
Na škvrne od kávy môžeme vidieť výsledok tejto udalosti – kaluž kvapaliny (kvapka), ktorá je obkolesená prstencom menších kvapiek (šplechnutie).
Vyliali ste kávu? Kávové škvrny sú pre vedcov záhadou Čítajte Zásadný prielom
Experimentálne analýzy priniesli neuveriteľne detailné pozorovania špliechajúcich kvapiek. Ale neukazujú, prečo kvapky špliechajú. Nepoznáme fyziku na pozadí.
Pre zdanlivo neškodný problém je klasická teória o kvapalinách – ktorou sa predpovedá počasie, tok krvi a používa sa pri dizajne lodí – nedostačujúca.
Výška vrstvy vzduchu sa totiž dá porovnať so vzdialenosťou, ktorú musia molekuly vzduchu prejsť medzí kolíziami. Pre tento špecifický problém sme preto potrebovali mikroskopické detaily, ktoré klasické teória nezohľadňuje.
Správanie vzduchu sa dá zachytiť jedine teóriou, ktorú pôvodne vyvinuli pre intenzívne prúdenie aerodynamických plynov – napríklad pri vstupe vesmírny lodí do zemskej atmosféry – presnejšie kinetickú teóriu plynov.
Moja nová štúdia, zverejnená v žurnále Physical Review Letters, je prvá, ktorá používa kinetickú teóriu na skúmanie, ako sa správa vrstva vzduchu, keď ju premiestni kvapalina roztekajúca sa po pevnom telese.
Štúdia stanovuje kritéria pre maximálnu rýchlosť, ktorou sa môže kvapalina stabilne rozširovať po pevnom telese. Už predtým sme vedeli, že na vznik šplechnutia sa musí prekonať kritická rýchlosť. Ak je rýchlosť menšia, kvapka sa rozleje rovnomerne. Nová hypotéza navyše vysvetľuje, prečo dokáže zníženie tlaku vzduchu zabrániť špliechaniu. Vzduch uniká z vrstvy jednoduchšie a kvapka tak musí prekonať menší odpor. Ide o chýbajúci kus skladačky, do ktorej od experimentálnych objavov z roku 2005 prispeli viaceré dôležité vedecké poznatky.
Dôležité využitie
Aj keď ide o zásadné vedecké záujmy, porozumenie podmienok, ktoré spôsobujú špliechanie sa dá využiť vo viacerých praktických oblastiach.
Jedným príkladom je 3D tlač, kde kvapky vytvárajú základy produktov ako sú napríklad sluchové pomôcky. Zastavenie špliechanie je kľúčové pre výrobu produktov požadovanej kvality.
Ďalšou dôležitou oblasťou sú forenzné vedy, kde sa analýza vzorcov krvavých škvŕn využíva vlastnosti šplechu na zistenie, odkiaľ krv pochádza, a prináša tak dôležité informácie pre vyšetrovateľov.
Najsľubnejšie využitia bude mať nová hypotéza v množstve prípadov, kde sa objavujú mikroskopické vrstvy vzduchu. Napríklad v klimatických vedách nám pomôže pochopiť, ako do seba kvapky narážajú pri vzniku oblakov, a odhadnúť množstvo plynu, ktoré dážď prináša do oceánov.
Myslite na to, keď si nabudúce pokvapkáte stôl kávou. Skúste chvíľu obdivovať vzorec kvapiek a oceniť jeho podpovrchovú komplexnosť predtým, ako zanadávate a načiahnete sa po handru.
Článok pôvodne vyšiel na webe The Conversation, originál si môžete prečítať na tomto odkaze.
doi: 10.1103/PhysRevLett.118.114502
doi: 10.1103/PhysRevLett.94.184505
doi: 10.1146/annurev-fluid-122414-034401
doi: 10.1103/PhysRevLett.113.024507
doi: 10.1146/annurev-fluid-122414-034401
Autor: James Sprittles/The Conversation
