Почему струя из крана распадается на капли — объяснили физики

Физики Дэниел Бонн и его коллеги из Амстердамского университета недавно подробно изучили, как из непрерывной струи жидкости образуются отдельные капли. Их исследование размещено в препринт‑версии на arXiv и разрешает давно обсуждаемую загадку, которую можно наблюдать буквально у себя на кухне — от падения воды из крана до работы садового шланга.

От непрерывной струи к капле

Когда вода течет из крана, струя не остается ровной и цельной. Она постепенно распадается на отдельные капли. Этот процесс физики называют неустойчивостью Рэлея-Плато. Суть явления в том, что на поверхности струи всегда есть небольшие неровности. Под действием поверхностного натяжения, которое стремится минимизировать площадь жидкости, эти микроскопические неровности со временем увеличиваются. Струя начинает сжиматься в некоторых местах и расширяться в других, пока не разделяется на отдельные капли.

До недавнего времени оставалось неясно, что именно вызывает эти первые колебания. Иногда их объясняли несовершенствами сопла или внешними шумами (например, дуновением воздуха, вибрациями оборудования или движением рядом стоящих объектов).

«Обычно говорят: „Что-то постороннее воздействует на струю — кто-то чихнул, кто-то шевельнул рукой“», — отмечает прикладной математик Джеймс Сприттлс из Уорикского университета

Сотни экспериментов и тысячи данных

Чтобы выяснить источник колебаний, команда Бонна провела 158 отдельных экспериментов. Они использовали десятки типов сопел различной шероховатости и размеров, от микрометров до миллиметров, а также жидкости с разной вязкостью, плотностью и поверхностным натяжением. Ученые тщательно изолировали оборудование от внешних воздействий, чтобы исключить шум.

Результаты оказались неожиданными: ни качество сопла, ни внешние шумы не определяли момент распада струи. Результаты оказались неожиданными: ни качество сопла, ни внешние шумы не определяли момент распада струи. Все объяснялось тем, что исходные колебания вызывались тепловыми флуктуациями — случайными микроскопическими движениями молекул жидкости, возникающими из-за ее температуры. Размер этих колебаний на поверхности струи составил около одной десятой нанометра, что совпадает с характерной амплитудой теплового дрожания молекул воды.

«Эта работа меня очень впечатлила. Она проверяет проблему с разных сторон и показывает, что данные формируют цельную картину», —  говорит физик Йенс Эггерс из Бристольского университета.

Микромир, влияющий на макромир

Если бы распад струи зависел только от тепловых колебаний, изменение температуры жидкости должно было бы сильно повлиять на процесс. На практике повышение температуры до нужного уровня привело бы к закипанию, поэтому экспериментаторы использовали другой подход: меняли свойства жидкости, например, ее поверхностное натяжение, чтобы усилить или ослабить эффект молекулярного дрожания.

Важно понять, как именно тепловые флуктуации превращаются в видимые капли. Струя всегда стремится к минимальной поверхности, и любые микроскопические «волнения» начинают увеличиваться под действием поверхностного натяжения. Это подобно тому, как маленькая рябь на воде в чашке постепенно превращается в более крупные волны, если на неё действует сила, растягивающая поверхность.

Эггерс подчеркивает удивительное свойство этих процессов:

«Не часто можно наблюдать прямую связь между движениями отдельных молекул и эффектами, которые мы видим в масштабе кухонной раковины».

Понимание этих механизмов важно не только для фундаментальной физики, но и для практических технологий. Это касается струйной печати, создания аэрозолей в медицинских ингаляторах и микрофлюидики — области, где исследователи работают с крошечными объемами жидкости в микроканалах и должны точно контролировать размер и движение каждой капли.