Когда капля воды падает на горячую сковороду, она танцует по поверхности, скользя по тонкому слою пара, как крошечное судно на воздушной подушке; это известно как эффект Лейденфроста. Но теперь исследователи знают, что происходит, когда горячая капля падает на прохладную поверхность. Эти новые результаты, опубликованные в журнале Cell Press Newton 3 марта, демонстрируют, что горячие и обжигающие капли могут отскакивать от прохладных поверхностей, движимые тонким слоем воздуха, который образуется под ними. Это явление могло бы вдохновить на новые стратегии замедления распространения пожаров и повышения эффективности двигателя.
"Мы начали с очень фундаментального вопроса: что произойдет, когда горящая капля ударится о твердую поверхность?" - говорит старший автор Пинган Чжу из Городского университета Гонконга, Китай.
Чтобы лучше понять, как тепло влияет на поведение капель, Чжу и его команда использовали для своего эксперимента гексадекан, маслянистую жидкость со свойствами, подобными топливу. Они понижали комнатную температуру, нагревали (120°C/248°F) и сжигали капли вещества на различных поверхностях, некоторые из которых были гладкими, поцарапанными или водоотталкивающими. Капля комнатной температуры прилипла ко всем поверхностям при контакте, как и ожидала команда. Но нагретые и горящие отскакивали, что наводило на мысль о том, что ключевым фактором было тепло.
Используя высокоскоростные и тепловизионные камеры наряду с компьютерными моделями, команда запечатлела капли в движении. Они обнаружили, что когда горячая капля приближается к поверхности комнатной температуры, нижняя часть охлаждается быстрее, чем верхняя. Эта разница температур усиливает циркуляцию внутри капли, где более горячая жидкость течет от краев ко дну, увлекая за собой воздух. Этот воздух образует тонкую невидимую подушку на дне капли, предотвращая ее соприкосновение с поверхностью и позволяя ей вместо этого отскакивать назад. Авторы отмечают, что, хотя распределение температуры является ключевым в этом процессе, другие факторы также могут играть определенную роль.
"Понимание того, почему горячие капли отскакивают, связано не только с любопытством - это может найти применение в реальном мире", - говорит Чжу. "Если горящие капли не смогут прилипать к поверхностям, они не смогут воспламенять новые материалы и способствовать распространению пожаров".
Объединив отскакивающие свойства горячих капель с водоотталкивающими покрытиями, команда исследовала потенциальное применение этих результатов. Они продемонстрировали, что горящие капли на водоотталкивающих пластиковых пленках плавают на тонкой воздушной подушке, предотвращая прямой контакт. Это покрытие уменьшило площадь контакта капли с поверхностью более чем в четыре раза по сравнению с голым пластиком, который деформировался и подвергался огневым повреждениям при контакте с горящей каплей.
Команда также изучала это явление в двигателях. Они обнаружили, что когда капли топлива прилипают к поверхностям, они сгорают неэффективно, оставляя после себя несгоревшие остатки и тратя энергию впустую. Но в модели двигателя с водоотталкивающим покрытием капли собирались в шарики и полностью сгорали. Эти результаты могут привести к созданию более огнестойких материалов и более эффективных двигателей.
"Наше исследование могло бы помочь защитить легковоспламеняющиеся материалы, такие как текстиль, от горящих капель", - говорит Чжу. "Ограничение пожаров меньшей площадью и замедление их распространения могло бы дать пожарным больше времени для их тушения".
Эта работа была поддержана финансовой поддержкой Совета по исследовательским грантам Гонконга, Городского университета Гонконга, Национального фонда естественных наук Китая и Совета по исследовательским грантам Гонконга.
Комментарии