Новости науки 21.03.01. Стабилизация неустойчивых жидких "конструкций" звуком.

Повседневный опыт учит нас, что струя жидкости распадается на капли. Это явление издавна привлекало внимание исследователей, однако объяснение было найдено только в XIX веке. Плато и Рэлей показали, что распад струи жидкости на капли связан с поверхностным натяжением. Не только теоретический, но и практический интерес представляет изучение влияния внешних воздейстий на подобные системы со свободными поверхностями, в частности, возможность подавления неустойчивости внешним воздействием. В работе [1] предложен новый способ борьбы с неустойчивостью - пассивная стабилизация звуком.

Рис.1. Схема эксперимента: жидкий мостик находится в узле стоячей волны (справа акустический преобразователь, слева - цилиндрический отражатель).

В последние десятилетия создано множество устройств (от спрэев до струйных принтеров), в которых "работают" струи жидкости и капли. Неудивительно потому, что исследования в этой области идут достаточно активно. Одним из модельных объектов исследования являются так называемые жидкие "мостики" - цилиндрические жидкие "колонны", соединяющие два твердых диска (рис.1). В отсутствие силы тяжести мостик является устойчивым до тех пор, пока его длина не превышает 2p R, где R - радиус цилиндра. Если же длина мостика превышает критическое значение, то один из концов колонки начинает утолщаться, а другой - утоньшаться и, в конечном итоге, мостик разрывается (неустойчивость Рэлея-Плато, фотографии (d) - (h) на рис.2). Причина возникновения подобной неучтойчивости состоит в том, что для мостика с длиной, превышающей критическую, поверхностная свободная энергия уменьшается с ростом асимметрии. Однако неустойчивую "конструкцию" можно стабилизировать внешним воздействием, например, звуковой волной. В некотором диапазоне длин волн давление звука на поверхность жидкой колонны быстро растет с ростом радиуса цилиндра R. Соответственно, при образовании утолщения давление на "утолщенную" часть колонны возрастает и мостик автоматически "поджимается" в данном месте.

Рис.2. Стабилизация звуком мостика с закритической длиной. В момент времени 0 (фотография d) звук был выключен.

Исследователи помещали жидкий мостик (раствор воды и глицерина) в узел стоячей звуковой волны (рис.1). Для проведения экспериментов в условиях невесомости использовался самолет НАСА КС-135. Удалось добиться устойчивости мостиков с длиной, почти в полтора раза превышающей критическое значение. К сожалению, кратковременность условий искусственной невесомости затрудняет определение границ применимости методики пассивной стабилизации.

1. Mark J.Marr-Lyon, David B.Thiessen, and Philip L.Marston. Phys.Rev.Lett. v.86, 2293 (2001).

перейти к началу страницы