Дождь нарушает законы физики

Авторы исследования изучали, как изменяется форма водяных сфер в масляной камере при приближении к заряженной платформе. Уже при напряжении в несколько киловольт разноименно заряженные капли начинали отталкиваться друг от друга.

Ученые решили разобраться, какие физические принципы лежат в основе обнаруженного ими странного эффекта. В течение трех лет они изучали поведение капель при помощи скоростной видеосъемки и просчитывали движения капель с использованием разработанных ими математических моделей. В итоге им удалось выяснить, как капли «нарушают» законы физики.

Из-за сил натяжения водяные капли имеют сферическую форму. Однако при сближении двух электрически заряженных сфер их форма начинает меняться — между каплями формируется водяной мостик. Когда заряд капель небольшой, площадь мостика постепенно растет, и в конце концов две капли сливаются вместе. При больших значениях заряда через мостик происходит обмен зарядами, который заканчивается пробоем. Капли восстанавливают свою изначальную форму и разлетаются друг от друга под воздействием сил натяжения.

Новые исследования капель дождя могут оказать существенное влияние на разработку так называемых микрожидкостных чипов — миниатюрных «лабораторий», позволяющих работать с чрезвычайно маленькими количествами материалов и жидкостей.

Напомним, ранее французские ученые объяснили различия в размере дождевых капель. Специалисты, осуществив видеосъемку падающей капли, описали процесс деформации и разрыва капли в процессе падения. Образовавшиеся маленькие капельки по размерам точно соответствовали каплям природного дождя.

В свою очередь ученые Гарвардского университета установили, что дождевые капли разбиваются еще до того, как ударятся об землю. Исследователи смоделировали на компьютере физические процессы, которые происходят при падении капель.

Расчеты показали, что перед тем, как разбиться, капля истончается. Считалось, что при контакте с поверхностью в сформировавшемся блине начинаются вибрации, которые вызывают образование характерной короны.

Авторы исследования рассчитывали поведение капель, принимая во внимание такие параметры как давление воздуха и поверхностное натяжение в капле. Они установили, что «стандартная» капля при падении сдавливает находящийся под ней воздух, и за несколько микросекунд до удара между каплей и поверхностью создается воздушная подушка. Именно «удар» о подушку вызывает сплющивание и разрушение капли. За стандарт ученые брали каплю диаметром около двух миллиметров, которая движется со скоростью несколько метров в секунду.

Исследователи отмечают, что процесс разрушения падающих капель изучен очень слабо. Практическая польза от исследования этого явления может заключаться, например, в разработке поверхностей, предотвращающих разбрызгивание.