Если вы нальете воду из бутылки, поток жидкости часто будет иметь цепочечную структуру. Физика, стоящая за этим любопытным явлением, горячо обсуждалась более века, но теперь эта загадка, возможно, была решена с помощью экспериментов, проведенных Антуан Дебле, Даниэль Бонн и Даниэль Джордан из Амстердамского университета и Нил Рибе из Университета Париж-Сакле.
Когда струя жидкости падает из некруглого сопла, она может образовывать волну из широких, уплощенных и равномерно расположенных участков жидкости, попеременно ориентированных под углом 90° друг к другу. Эти секции разделены более тонкими звеньями жидкости, что делает структуру похожей на цепочку (см. рисунок).
В основе эффекта лежит нецилиндрический профиль струи при ее выходе. Чтобы свести к минимуму поверхностное натяжение, струя пытается принять форму цилиндра, но это движение выходит за пределы нормы и приводит к колебаниям формы профиля.
Однако между двумя теориями, описывающими, как происходят эти колебания, существуют давние разногласия. Одна теория была выдвинута лордом Рэлеем в 1879 году, а затем она была модифицирована Нильсом Бором в 1909 году. Теория Рэлея описывает колебания как линейный эффект, тогда как теория Бора вводит нелинейные эффекты, которые уменьшают частоту колебаний по мере увеличения их амплитуды.
Бор побеждает
До сих пор ни один эксперимент не определил, какая из этих теорий предлагает более точное описание. Чтобы решить эту проблему, команда Дебле разработала серию из 12 эллиптических сопел с различными размерами и эксцентриситетами. Затем они измерили как частоты, так и амплитуды цепочечных структур, которые образовались, когда они заливали воду через форсунки с различной скоростью потока. Хотя закономерности, которые они наблюдали, немного противоречили предсказаниям Рэлея, они более тесно согласовывались с теорией Бора.
Скрытые узоры, обнаруженные на поверхности воды
Основываясь на своих результатах, Дебле и его коллеги построили численное моделирование колебаний жидкостной цепочки, снова обнаружив сильное согласие с предсказаниями Бора. Их результаты также помогают объяснить, почему во время экспериментов поверхность каждой струи покрылась ямками — еще одна интересная особенность повседневных водяных струй. Теперь команда надеется расширить эксперименты и моделирование, чтобы рассмотреть жидкости, отличные от воды, а также сопла более сложной формы.
Теперь, когда базовая теория создана, будущие эксперименты могут дать полезную информацию в различных областях применения, где жидкости выпускаются из эллиптических сопел, включая струйную печать и металлургию. Дальнейшие исследования также могут привести к новым методам повышения эффективности сгорания, подавления шума или улучшения управления двигателями. В другом месте результаты могут помочь исследователям лучше понять возникновение и возможное лечение определенных медицинских проблем, включая урологические заболевания.
Исследование описано в Физические обзоры жидкостей.
