Почему капля точит камень?

Открытие поможет инженерам разработать более качественные и устойчивые к эрозии материалы. С использованием недавно разработанной методики учёные смогли измерить скрытые величины, такие как напряжение сдвига и давление, возникающие при ударе капель жидкости о поверхность, — явления, которые до сих пор изучались только визуально.

Новое исследование демонстрирует способность капли жидкости разрушать твёрдые поверхности — зернистая песчаная поверхность (слева) и твёрдая гипсовая поверхность (справа). (Image: Cheng Research Group via University of Minnesota)

Разрушение твёрдых поверхностей

Исследователи годами изучают воздействие капель жидкости: от падения на землю капель дождя до передачи каплями патогенов (COVID-19), а также капли в аэрозолях. Общеизвестно, что медленно капающие капли воды, со временем, разрушают твёрдые поверхности. Но почему нечто, кажущееся мягким и текучим, может оказывать такое сильное воздействие на твёрдые поверхности? Главный автор статьи и доцент кафедры химического машиностроения и материаловедения Миннесотского университета Сян Ченг объяснил этот феномен.

«В восточной и западной культурах есть схожие поговорки о том, что „капля камень точит“. В поговорках заложен совет: ‘’Будь настойчив. Даже если ты слаб, постоянные усилия помогут добиться успеха’’. Однако разрушение твёрдого камня от ударов мягких капель порождает вопрос: ‘’Почему падение капли вообще вызывает какие-либо повреждения? ’’ Этот вопрос и мотивировал наше исследование», — рассказал Ченг.

В прошлом удары капель анализировались только визуально с помощью высокоскоростных камер. Новая методика исследователей Университета Миннесоты — высокоскоростная микроскопия напряжения обеспечивает более качественный способ изучения этого явления путём прямого измерения силы, напряжения и давления под каплями при их ударе о поверхность.

Исследователи обнаружили, что действующая на каплю сила фактически распространяется вместе с падающей каплей, а не концентрируется в центре капли. А скорость распространения капли на короткое время превышает скорость звука, создавая ударную волну по поверхности.

Удар капли воды о песчаную поверхность оставляет после себя эрозионный кратер из-за давления и напряжения сдвига, вызванного ударом капли. Каждая капля ведёт себя как маленькая бомба, взрывообразно высвобождая энергию удара и придавая ей силу, необходимую для эрозии поверхностей с течением времени.

Помимо нового способа изучения удара капель, исследование поможет инженерам разработать более устойчивые к эрозии поверхности. Ченг и его лаборатория в Университете Миннесоты уже планируют расширить это исследование для изучения изменения силы капли при её падении на различные текстуры и материалы.

«Например, мы красим поверхность здания или наносим покрытие на лопасти ветряных турбин для защиты поверхности. Но, со временем, капли дождя могут нанести им ущерб при ударе. Поэтому наше исследование, после выхода этой статьи, заключается в том, чтобы выяснить возможность уменьшения напряжения сдвига капель, что позволит нам разработать специальные поверхности для смягчения этого напряжения».

Помимо Ченга, в исследовательскую группу вошли: аспирант химико-технологического факультета Университета Миннесоты Тинг-Пи Сан, доцент Университета Сантьяго (Чили) Леонардо Гордильо, студенты старших курсов Франко Альварес-Новоа и Клебберт Андраде, а также доцент Университета О’Хиггинса (Чили) Пабло Гутьеррес.