En dybere forståelse af et overfladefænomen

Fænomener, der involverer overfladespænding, er ekstremt komplekse og har anvendelser i vores hverdag, og OIST-forskere tager fat på den komplicerede matematik bag fysikken.

Effekten af ​​overfladespænding er af central betydning i mange dagligdags fænomener:det får små regndråber til at klæbe til dine vinduer, skaber bobler, når du tilføjer vaskemiddel i din vask, og driver vandstridende insekter på overfladen af ​​damme. Det fremkalder endda "vintårer", en ring af klar væske nær toppen af ​​inderkanten af ​​et glas vin, hvorfra dråber kontinuerligt dannes og falder tilbage i vinen nedenfor. Imidlertid, trods dets allestedsnærværelse og lange historie af videnskabelige observationer, overfladespænding – og samspillet mellem væsker med forskellige overfladespændinger – er endnu ikke fuldt ud forstået. I forhold til problemets kompleksitet, forenklede modeller er blevet brugt i årtier. Men nu, OIST-forskere har taget et nyt skridt mod en mere komplet forståelse, rapporteret i Journal of Fluid Mechanics , ved at adressere en indviklet egenskab ved overfladespænding. Resultatet afslører, at en almindeligt anvendt tilnærmelse giver overraskende nøjagtige resultater, på trods af problemets kompleksitet.

Arbejdet er en fortsættelse af tidligere undersøgelser, hvor OIST-forskere studerede bevægelsen af ​​acetonedråber drevet af overfladespænding, glider på vandoverfladen.

"Fordi fænomenet er så kompliceret, Jeg tænkte på det enkleste system, som endnu ikke er blevet undersøgt, forsøger at gætte kræfterne på dråben, der ville få den til at bevæge sig, " forklarede Dr. Stoffel Janssens. "Dette er et lille skridt mod fuldstændig at forstå, hvordan en dråbe væske bevæger sig på vandet på grund af overfladespænding."

Forskerne i matematik, Mekanik, og materialeenhed ledet af prof. Eliot Fried designet en simpel enhed i form af en rektangulær beholder fyldt med vand, hvori en stationær cylinder er delvist nedsænket. Et overfladeaktivt stof – et organisk molekyle, der nedsætter overfladespændingen – påføres vandoverfladen på den ene side af cylinderen, som gør det muligt for forskerne at måle profilerne af de overfladeaktive stoffer-frie og de overfladeaktive stoffer-fyldte dele af vandoverfladen. Disse målinger hjalp forskerne med at bygge en teoretisk model, der bruges til at bestemme de kræfter, der virker på cylinderen.

Essensen af ​​kompleksiteten ligger i geometrien:vandoverfladen krummer sig mod cylinderen, og krumningen afhænger direkte af overfladespændingen. Med et overfladeaktivt stof på den ene side af cylinderen, vandoverfladeprofilerne på hver side af cylinderen er asymmetriske på grund af de forskellige krumninger, hvilket gør beregningen af ​​kræfterne på cylinderen matematisk mere kompleks. Indtil nu, en forenklet model ignorerede disse kurver under den antagelse, at vandoverfladen forbliver helt flad på begge sider af cylinderen.

Forskerne beskrev problemet med tre uafhængige tilgange:de beregnede de mekaniske kræfter, der blev påført cylinderen først numerisk, kræver hjælp fra en computer til at levere løsninger til de komplekse ligninger. Inspireret af de numeriske resultater, de gik over til en analytisk metode, også omtalt som "pen og papir" metoden, for at bekræfte modellen.

"Med den numeriske metode, du skal give algoritmen inputværdier, så på en måde løser du ligningerne for meget specifikke tilfælde, " kommenterede Prof. Fried. "Du kan få en fornemmelse af, hvad der foregår, men du kan ikke give et generelt bevis. Hvis du gør det analytisk med pen og papir, uden at have valgt særlige numeriske værdier, så har du noget, der gælder generelt.«

Forskerne analyserede endelig problemet ved at bruge en tredje uafhængig tilgang baseret på energi frem for mekaniske kræfter.

Alle tre metoder fører til det samme uventede resultat:vi kan roligt ignorere krumningen af ​​vand-luft-grænsefladen, da de beregnede kræfter er lig med dem, der opnås ved den forenklede model, hvor vandoverfladen antages at være flad.

"Vi kunne ikke udelukke muligheden for, at ignorering af krumningen af ​​vand-luft-grænsefladen ville føre til uacceptable fejl, " kommenterede Dr. Janssens. "Overraskende nok, imidlertid, det viser sig, at den forenklede model, der er brugt i årtier, er meget nøjagtig!"

Ud over at løse et indviklet problem, resultatet af denne forskning giver mere tillid til målinger som Langmuir-balancen, der er blevet brugt i det sidste århundrede. I øvrigt, dette er det første skridt mod at forstå det komplekse fænomen med en acetonedråbe, der glider på vandet på grund af overfladespænding.

"Dette arbejde kunne ses som en reduktionistisk tilgang, hvor vi har taget et skridt tilbage fra det meget komplicerede fænomen og forsøger at løse det stykkevis med udgangspunkt i de mest basale funktioner, " konkluderede Prof. Fried. "Nu kan vi gå over til et noget mere udfordrende problem, for eksempel hvor cylinderen får lov at glide oven på væsken."