Ny undersøgelse løser mysteriet om, hvordan bløde væskedråber eroderer hårde overflader
En ny undersøgelse ledet af forskere fra University of Minnesota Twin Cities viser, hvorfor væskedråber har evnen til at erodere hårde overflader, en opdagelse, der kan hjælpe ingeniører med at designe mere erosionsbestandige materialer. Ovenstående billede viser de stød, dråber kan lave på en granulær, sandet overflade (venstre) versus en hård gips (højre) overflade. Kredit:Cheng Research Group, University of Minnesota
En første af sin slags undersøgelse ledet af University of Minnesota Twin Cities forskere afslører, hvorfor væskedråber har evnen til at erodere hårde overflader. Opdagelsen kan hjælpe ingeniører med at designe bedre, mere erosionsbestandige materialer.
Ved hjælp af en nyudviklet teknik var forskerne i stand til at måle skjulte størrelser såsom forskydningsspændingen og trykket skabt af væskedråbernes indvirkning på overflader, et fænomen, der kun nogensinde er blevet undersøgt visuelt.
Artiklen er udgivet i Nature Communications .
Forskere har studeret virkningen af dråber i årevis, fra den måde regndråber rammer jorden til overførsel af patogener såsom COVID-19 i aerosoler. Det er almindeligt kendt, at langsomt dryppende vanddråber kan erodere overflader over tid. Men hvorfor kan noget tilsyneladende blødt og flydende gøre så stor en indvirkning på hårde overflader?
"Der er lignende ordsprog i både østlige og vestlige kulturer, at 'Dryppende vand udhuler sten'," forklarede Xiang Cheng, seniorforfatter på papiret og lektor ved University of Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science. "Sådanne ordsprog har til hensigt at lære en moralsk lektie:'Vær vedholdende. Selv hvis du er svag, når du bliver ved med at gøre noget kontinuerligt, vil du få indflydelse.' Men når du har noget så blødt som dråber, der rammer noget så hårdt som sten, kan du ikke lade være med at spekulere på:'Hvorfor forårsager faldpåvirkningen overhovedet nogen skade?' Det spørgsmål er, hvad der motiverede vores forskning."
Tidligere er dråbepåvirkning kun blevet analyseret visuelt ved hjælp af højhastighedskameraer. Forskernes nye teknik fra University of Minnesota, kaldet højhastighedsspændingsmikroskopi, giver en mere kvantitativ måde at studere dette fænomen på ved direkte at måle kraften, stressen og trykket under væskedråber, når de rammer overflader.
Forskerne fandt ud af, at kraften, som en dråbe udøver, faktisk spredes ud med det stødende dråbe - i stedet for at være koncentreret i midten af dråben - og hastigheden, hvormed dråben spredes ud, overstiger lydens hastighed på korte tidspunkter, hvilket skaber et stød bølge hen over overfladen. Hver dråbe opfører sig som en lille bombe, der frigiver dens slagenergi eksplosivt og giver den den nødvendige kraft til at erodere overflader over tid.
Udover at bane en ny måde at studere dråbepåvirkning på, kan denne forskning hjælpe ingeniører med at designe mere erosionsbestandige overflader til applikationer, der skal klare de udendørs elementer. Cheng og hans laboratorium ved University of Minnesota Twin Cities planlægger allerede at udvide denne forskning for at studere, hvordan forskellige teksturer og materialer ændrer mængden af kraft, der skabes af væskedråber.
"For eksempel maler vi overfladen af en bygning eller belægger vindmøllevinger for at beskytte overfladerne," sagde Cheng. "Men over tid kan regndråber stadig forårsage skade via påvirkning. Så vores forskning efter dette papir er at se, om vi kan reducere mængden af forskydningsspænding af dråber, hvilket ville give os mulighed for at designe specielle overflader, der kan afbøde stress. "
Ud over Cheng inkluderede forskerholdet University of Minnesota kemiingeniør Ph.D. studerende Ting-Pi Sun, University of Santiago, Chile Adjunkt Leonardo Gordillo og bachelorstuderende Franco Álvarez-Novoa og Klebbert Andrade, og O'Higgins University, Chile Adjunkt Pablo Gutiérrez. + Udforsk yderligere
Varmeledning er vigtig for dråbedynamikken
Varme artikler
-
Dalian kohærent lyskilde afslører stærke isotopeffekter i fotodissociation af vandisotopologDalian kohærent lyskilde afslører stærke isotopeffekter i vandfotokemi. Kredit:DICP For nylig, en forskergruppe ledet af prof. Yuan Kaijun og prof. Yang Xueming fra Dalian Institute of Chemical Ph -
Fuldt parret parring i de nye vanadiumbaserede Kagome-superledereKrystalstrukturen af CsV 3 Sb 5 , med V -atomer, der danner et Kagome -gitter. Kredit:Science China Press På grund af sin unikke geometri, Kagome -gitteret udviser i sagens natur topologiske -
Faseændringsmaterialer fra smartphones kan føre til højere datalagring, energieffektivitetLawrence Livermore forskere og samarbejdspartnere brugte røntgenfri-elektronlaseren ved Linac kohærente lyskilde til at vise, at faseændringsmaterialer kan føre til hurtigere og mere effektive datalag -
Fysikere ved Mainz Universitet konstruerer prototype til ny komponent i ATLAS -detektorenGrafisk simulering af en partikelkollision registreret af prototypedetektoren i ATLAS -eksperimentet. Kredit:ATLAS Samarbejde Et af de største projekter, der gennemføres på CERN -forskningscentret
- Naturen er nøglen til at pleje grønne vandbehandlingsanlæg
- Genbrug af bordservice kan reducere spild fra online madleverancer
- Fysikere fryser krystal med 150 ioner
- Moderne alkymi skaber selvlysende jernmolekyler
- Beregningsforudsigelse af, hvor slid vil forekomme i motorer
- Videnskabsprojekter med slinkies