Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology wyjaśnili, dlaczego czasami kropelka cieczy nie łączy się z powierzchnią cieczy znajdującej się pod nią. Jeśli kropla jest bardzo zimna, a ciecz na dnie jest wystarczająco ciepła, kropla będzie „lewitować” z powodu przepływów spowodowanych różnicą temperatur. Wyniki badań przedstawiono w artykule w Journal of Fluid Mechanics.
Kierownik badania Michela Gehry zastanawiał się, dlaczego różnica temperatur może uniemożliwić kropelce mieszanie się z powierzchnią cieczy. Zaprojektowała małe pudełko wielkości filiżanki do espresso, z akrylowymi ścianami i metalową dolną krawędzią, które po kolei stawia na gorącym i zimnym talerzu. Pudełko zawierało miskę olejku silikonowego, a na górze znajdowała się strzykawka, przez którą naukowcy mogli wyciskać kropelki oleju silikonowego o takiej samej lepkości jak w misce. W każdej serii eksperymentów Gehry mierzył temperaturę wyciśniętej kropli oleju oraz temperaturę powierzchni cieczy w kąpieli. Wybrano oleje o różnych lepkościach - od zbliżonej do wody do 500-krotnie lepszej.
Odstęp czasu między opuszczeniem strzykawki przez kroplę a momentem jej połączenia z powierzchnią cieczy został starannie zarejestrowany na kamerze filmującej 2000 klatek na sekundę. W jednym przypadku naukowcom udało się sprawić, że kropla unosi się w powietrzu przez dziesięć sekund, utrzymując różnicę temperatur na poziomie 30 ° C. Jest to mniej więcej równe różnicy między dodawaną do niej gorącą kawą a zimnym mlekiem.
„Odkryliśmy, że ciężar spadającej kropli i siła recyrkulacji warstwy powietrza można zrównoważyć w jednym punkcie, a aby osiągnąć tę równowagę, potrzebna jest minimalna lub krytyczna różnica temperatur, aby kropla zaczęła lewitować” - wyjaśnia Gehry. W pewnym momencie kropla całkowicie się nagrzewa, jej temperatura staje się równa temperaturze powierzchni, a lewitacja ustaje.
Kropla śmietanki wpada do gorącej kawy / Massachusetts Institute of Technology
Grupa naukowców zbadała to zjawisko z matematycznego punktu widzenia. Obliczenia wykazały, że czas lewitacji spadku jest powiązany z różnicą temperatur wynoszącą 2: 3. Fizycy zaadaptowali równania opisujące mieszanie się dwóch cieczy i zasymulowali zachowanie ciepłej części cieczy wewnątrz kropli, która jest podgrzewana z powierzchni poniżej. Umożliwiło to zrozumienie, jak ciepłe prądy rozprzestrzeniają się kropla po kropli, ostatecznie ogrzewając to wszystko. Naukowcy są przekonani, że ich obliczenia pomogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób chemikalia i substancje biologiczne mieszają się i rozprzestrzeniają w cieczach, a także zrozumieć zachowanie kropelek w warunkach zerowej grawitacji.