Undersøgelse forklarer, hvordan dråber kan svæve på flydende overflader

En dråbe eller to kold fløde i varm kaffe kan gå langt i retning af at forbedre ens morgen. Men hvad nu hvis de to væsker ikke blandede sig?

MIT -forskere har nu forklaret, hvorfor en dråbe væske under visse omstændigheder ikke bør smelte sammen med væskeoverfladen herunder. Hvis dråben er meget kold, og badet tilstrækkeligt varmt, så skal dråben "svæve" på badets overflade, som følge af de strømninger, der forårsages af temperaturforskellen.

Holdets resultater, offentliggjort i dag i Journal of Fluid Mechanics , tilbyde en detaljeret, matematisk forståelse af drop coalescence, som kan observeres i evige fænomener, fra mælk hældt i kaffe til regndråber, der skitter over vandpytter, og sprøjter skabt i surfzoner.

Resultaterne kan hjælpe forskere med at forstå, hvordan biologiske eller kemiske stoffer spredes af regn eller andre sprøjtemidler i naturen. De kunne også tjene som en vejledning til dråbe-baserede designs, såsom i mikrofluidiske chips, hvor dråber med forskellige reagenser kun kan designes til at blande sig på bestemte steder i en chip, ved visse temperaturer. Med denne nye forståelse, forskere kunne også konstruere dråber til at fungere som mekaniske kuglelejer i miljøer uden tyngdekraft.

"Baseret på vores nye teori, ingeniører kan bestemme, hvad der er den indledende kritiske temperaturforskel, de har brug for for at opretholde to dråber separat, og hvad er den maksimale vægt, et leje konstrueret af disse svævende dråber ville kunne bære, "siger Michela Geri, en kandidatstuderende i MIT's Institut for Maskinteknik og undersøgelsens hovedforfatter. "Hvis du har en grundlæggende forståelse, du kan begynde at designe tingene, som du vil have dem til at fungere. "

Geris medforfattere er Bavand Keshavarz, en lektor i maskinteknik, John Bush, professor i anvendt matematik i MIT's Institut for Matematik, og Gareth McKinley, ingeniørhøjskolen Professor i undervisning i innovation.

Et opløftende eksperiment

Holdets resultater voksede ud af et spørgsmål, som Bush stillede i sit kandidatforløb 18.357 (grænsefladefænomener):Hvorfor skulle en temperaturforskel spille en rolle i en dråbes koalescens, eller blanding?

Geri, hvem tog kurset dengang, tog udfordringen op, først ved at udføre en række eksperimenter i McKinleys laboratorium.

Hun byggede en lille kasse, på størrelse med en espressokop, med akrylvægge og et metalgulv, som hun lagde på en varm/kold tallerken. Hun fyldte terningen med et bad af silikoneolie, og lige over badets overflade satte hun en sprøjte, gennem hvilken hun pumpede dråber silikoneolie af samme viskositet. I hver række eksperimenter, hun indstillede temperaturen på den varme/kolde tallerken, og målte temperaturen af ​​olien pumpet gennem sprøjten og ved overfladen af ​​badet.

Geri brugte et højhastighedskamera til at optage hver dråbe, ved 2, 000 billeder i sekundet, fra det blev frigivet fra sprøjten til det tidspunkt, hvor det blandede grundigt med badet. Hun udførte dette eksperiment ved hjælp af silikoneolier med en række viskositeter, fra vandlignende til 500 gange tykkere.

Hun fandt ud af, at dråber syntes at svæve på et bads overflade, da temperaturgradienten mellem de to væsker steg. Hun var i stand til at svæve en dråbe, forsinker dens koalescens, så længe som 10 sekunder, ved at opretholde en temperaturforskel på op til 30 grader Celsius, eller 86 grader Fahrenheit, kan sammenlignes med forskellen mellem en dråbe kold mælk på et bad med varm sort kaffe.

Geri afbildede dataene og observerede, at dråbens opholdstid på badets overflade syntes at afhænge af den indledende temperaturforskel mellem de to væsker, hævet til magten på to tredjedele. Hun bemærkede også, at der er en kritisk temperaturforskel, hvor en dråbe af en given viskositet ikke blandes, men i stedet svæver på en flydende overflade.

"Vi så dette forhold klart i laboratoriet og forsøgte derefter at udvikle en teori i håb om at rationalisere denne afhængighed, "Siger Geri.

En puds karakter

Teamet søgte først at karakterisere det luftlag, der adskilte dråben fra badet. Forskerne antog, at en temperaturforskel mellem de to væsker kan påvirke denne luftpude, som igen kan virke for at holde en dråbe flydende.

For at undersøge denne idé matematisk, forskerne foretog en beregning, i væskemekanikken omtalt som en smøreanalyse, hvor de passende forenklede de komplekse ligninger, der beskriver fluidbevægelse, at beskrive luftstrømmen mellem dråben og badet.

Gennem disse ligninger, de fandt ud af, at temperaturforskelle mellem væskedråbet og væskebadet skaber konvektion, eller cirkulerende strømme i det mellemliggende luftlag. Jo større temperaturforskel, jo stærkere luftstrømme, og jo større tryk der presser mod dråbens vægt, forhindrer det i at synke og får kontakt med badet.

"Vi fandt kraften, der kommer fra dråbes vægt, og kraften, der kommer fra recirkulationen af ​​luftlaget, vil balancere på et tidspunkt, og for at få den balance, du har brug for et minimum, eller kritisk temperaturforskel for at dråben skal svæve, "Siger Geri.

Inde i en enkelt dråbe

Næste, holdet ledte efter en matematisk forklaring på, hvorfor de observerede forholdet 2:3 mellem den tid, en dråbe svæver på en flydende overflade, og den indledende temperaturforskel mellem de to væsker.

"For det, vi var nødt til at tænke på, hvordan temperaturen på faldet ændrer sig over tid og nærmer sig badets temperatur, "Siger Geri.

"Med en temperaturforskel, du genererer et flow inde i dråben, opsamler varme fra badet, som cirkulerer rundt, indtil dråbetemperaturen er den samme som badet, og du ikke svæver mere, "Tilføjer Bush." ​​Vi var i stand til at beskrive den proces matematisk. "

For at gøre det, forskerne tilpassede et andet sæt ligninger, som beskriver blandingen af ​​to væsker. De brugte ligningerne til at modellere en varm pakke væske inden i dråben, der er blevet varmet op af badet herunder. De var i stand til at karakterisere, hvordan pakken væske blandede sig med de koldere dele af dråben, opvarmning af hele dråben over tid.

Gennem denne modellering, de kunne observere, hvordan temperaturforskellen mellem væsker faldt over tid, til det punkt, hvor en dråbe holdt op med at svæve og i sidste ende blandede sig med resten af ​​badet.

"Hvis du studerer denne proces matematisk, du kan vise den måde, hvorpå temperaturen ændrer sig i dråben over tid, er præcis med denne kraftlov på 2/3, som vi observerede i vores eksperimenter, "Siger Geri.

Bush siger, at deres resultater kan bruges til at karakterisere spredningen af ​​visse kemiske og biologiske midler, der overføres gennem regndråber og spray.

"Der er mange biologiske og kemiske blandingshændelser, der involverer dråbeinteraktioner, herunder i surfzonen, med bølger, der bryder og små dråber flyver overalt, og i boblebad, med bobler, der sprænger og frigiver dråber, der skitter langs overfladen, "Bush siger." Den hastighed, hvormed disse midler blandes, vil afhænge af, hvor længe dråber holder sig flydende, før de samles. Nu ved vi, at det afhænger af temperaturen, og vi kan sige præcis hvordan. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.