Tiedot

Räjähtävien vesipisaroiden takana oleva tiede on yksinkertaisempaa kuin ajattelimme

Räjähtävien vesipisaroiden takana oleva tiede on yksinkertaisempaa kuin ajattelimme

Sen määrittäminen, kuinka paljon sähkökenttää vesipisara pystyy käsittelemään ennen sen puhkeamista, on pitkään kiusannut tutkijoita.

Käsite näyttää helpolta, mutta yksinkertaisen matemaattisen kaavan löytäminen, joka selittää tämän ilmiön, on osoittautunut vaikeaksi - toistaiseksi.

MIT-tutkijoiden ryhmä on määrittänyt yksinkertaisen kaavan sähköistetyn pisaran stabiilisuuden arvioimiseksi. Se on niin yksinkertaista, että sen tekeminen voidaan tehdä lyijykynällä ja paperilla.

LIITTYVÄT: Tiedemiehet tuottavat pisaroita, joissa on värisävyjä ilman väriaineiden käyttöä

"Ennen tulosta insinöörien ja tutkijoiden oli suoritettava laskennallisesti intensiivisiä simulaatioita sähköistetyn pisaran vakauden arvioimiseksi", kertoo pääkirjailija Justin Beroz, jatko-opiskelija MIT: n koneenrakennuksen ja fysiikan laitokselta.

”Yhtälömme avulla voidaan ennustaa tämä käyttäytyminen välittömästi yksinkertaisella paperi- ja lyijykynälaskelmalla. Tästä on suuri käytännön hyöty insinööreille, jotka työskentelevät tai yrittävät suunnitella mitä tahansa järjestelmää, johon liittyy nesteitä ja sähköä. "

Löytö voisi auttaa uusia avaruusmatkamenetelmiä

Löydön takana oleva tiimi sanoo, että uusi kaava voi johtaa uusiin edistysaskeleisiin monilla aloilla avaruuden käyttämisestä massaspektrometriaan, korkean resoluution tulostukseen, ilmanpuhdistukseen ja molekyylianalyysiin.

Vesipisarat muodostavat niin pieniä palloja pintajännityksen ansiosta. Tämä voima sitoo vesimolekyylit pisaran pinnalla ja vetää molekyylejä sisäänpäin muodostaen muodon.

Tämä täydellinen muoto voi vääristyä, jos se altistetaan muille voimille, kuten sähkökentälle. Pintajännitys yrittää pitää pisaroiden muodon, mutta kentän vastakkainen voima vetää pisaran muodosta.

"Jossain vaiheessa, jos sähkökenttä on riittävän voimakas, pisara ei löydä sähkövoimaa tasapainottavaa muotoa, ja siinä vaiheessa se muuttuu epävakaaksi ja puhkeaa", Beroz selittää.

Beroz sanoo, että hänen tiiminsä oli kiinnostunut hetkestä - juuri ennen pisaran puhkeamista ja kun se on vääristyneimmässä muodossaan.

Tylsät kokeet tuottavat tuloksia

Tämän tutkimiseksi tutkijat aloittivat kokeen, jossa he levittivät vesipisarat hitaasti sähköistetylle levylle ja käyttivät huippunopeaa kameraa pisaroiden tallentamiseen.

"Kokeilu on aluksi todella tylsää - katsot, kuinka pisara muuttaa hitaasti muotoa, ja sitten yhtäkkiä se vain puhkeaa", Beroz sanoo.

Aluksi joukkue dokumentoi vain useita tippoja, jotka muuttivat pudotuksen kokoa ja sähkökentän voimakkuutta. Myöhemmin kukin pisaran kehys eristettiin tutkiakseen pisaran muodon muutosta kentän vääristämänä. Beroz hahmotteli jokaisen pisaran kriittisen vakaan muodon juuri ennen sen puhkeamista ja laski useita parametreja, kuten pisaran tilavuuden, korkeuden ja säteen.

Sitten hän juoni nämä tiedot ja huomasi, että ne putosivat pitkin suoraa.

"Teoreettiselta kannalta se oli yllättävän yksinkertainen tulos, kun otetaan huomioon ongelman matemaattinen monimutkaisuus", Beroz sanoo.

"Se ehdotti, että pisaroiden purskekriteerin laskemisessa saattaisi olla unohdettu, mutta yksinkertainen tapa."

Pidä se yksinkertaisena

Avain yksinkertaisen yhtälön löytämiseen oli piikkien korkeuden huomiotta jättäminen ja sen sijaan keskittyminen sen tilavuuteen.

"Viimeisten 100 vuoden aikana yleissopimus oli valita korkeus", Beroz sanoo.

”Mutta pisaran muodonmuuttuessa sen korkeus muuttuu, ja siksi ongelman matemaattinen monimutkaisuus on ominaista korkeudelle. Toisaalta pisaran tilavuus pysyy kiinteänä riippumatta siitä, kuinka se muodostaa muodonmuutoksen sähkökentässä. "