Informacije

Nauka iza eksplodiranja kapljica vode jednostavnija je nego što smo mislili

Nauka iza eksplodiranja kapljica vode jednostavnija je nego što smo mislili

Utvrđivanje koliko električnog polja kapljica vode može podnijeti prije nego što pukne dugo je mučilo naučnike.

Koncept se čini lakim, ali pronalaženje jednostavne matematičke formule koja objašnjava ovaj fenomen pokazalo se teškim - do sada.

Tim naučnika sa MIT-a odredio je jednostavnu formulu za procenu stabilnosti naelektrisane kapljice. Toliko je osnovno da se to može izvesti olovkom i papirom.

POVEZANO: ZNANSTVENICI PROIZVODAJU KAPI SA IRIDESCENTNIM BOJAMA BEZ KORIŠTENJA BOJA

"Prije našeg rezultata, inženjeri i znanstvenici morali su izvršiti računalno intenzivne simulacije kako bi procijenili stabilnost naelektrizirane kapljice", kaže vodeći autor Justin Beroz, apsolvent na Odjelu za strojarstvo i fiziku MIT-a.

„Pomoću naše jednadžbe možemo odmah predvidjeti ovo ponašanje, jednostavnim proračunom papira i olovke. Ovo je od velike praktične koristi za inženjere koji rade ili pokušavaju dizajnirati bilo koji sistem koji uključuje tečnosti i električnu energiju. "

Otkriće bi moglo pomoći novim metodama svemirskog putovanja

Tim koji stoji iza otkrića kaže da bi nova formula mogla dovesti do novog napretka u raznim poljima, od svemirskog pogona do masene spektrometrije, štampe visoke rezolucije, pročišćavanja vazduha i molekularne analize.

Kapljice vode stvaraju što manje sfera zahvaljujući površinskom naponu. Ova sila veže molekule vode na površini kapljice i vuče molekule prema unutra, formirajući oblik.

Ovaj savršeni oblik može se iskriviti ako je izložen drugim silama poput električnog polja. Površinski napon pokušava zadržati oblik kapljica, ali suprotna sila polja izvlači kapljicu iz oblika.

"U nekom trenutku, ako je električno polje dovoljno jako, kapljica ne može pronaći oblik koji uravnotežuje električnu silu i u tom trenutku postaje nestabilna i puca", objašnjava Beroz.

Beroz kaže da je njegov tim zanimao trenutak - neposredno prije nego što kap kap pukne i kada je u svom najiskrivljenijem obliku.

Dosadni eksperiment daje rezultate

Da bi to ispitali, istraživači su postavili eksperiment u kojem su polako raspršivali kapljice vode na naelektrisanu ploču i koristili superbrzu kameru za snimanje kapljica.

"Eksperiment je u početku stvarno dosadan - gledate kako kapljica polako mijenja oblik, a onda odjednom samo pukne", kaže Beroz.

U početku je tim samo dokumentovao niz kapljica koje su mijenjale veličinu kapljice i jačinu električnog polja. Kasnije je izoliran svaki okvir kapljice kako bi se ispitalo pomicanje oblika kapljice dok ga je polje izobličavalo. Beroz je iznio kritično stabilan oblik svake kapljice neposredno prije pucanja i izračunao je nekoliko parametara kao što su zapremina, visina i radijus kapljice.

Zatim je zacrtao ove podatke i otkrio da su pali po ravnoj liniji.

"S teoretskog gledišta, bio je to neočekivano jednostavan rezultat s obzirom na matematičku složenost problema", kaže Beroz.

"Sugeriralo je da se može previdjeti, ali jednostavan način izračunavanja kriterijuma praska za kapljice."

Pojednostavi

Ključ otkrića jednostavne jednadžbe bio je zanemarivanje visine kapljice i umjesto toga fokusiranje na njezinu zapreminu.

"U posljednjih 100 godina konvencija je bila odabir visine", kaže Beroz.

„Ali kako se kapljica deformira, njena visina se mijenja, pa je stoga matematička složenost problema svojstvena visini. S druge strane, volumen kapljice ostaje fiksiran bez obzira na to kako se deformira u električnom polju. "


Pogledajte video: Tri stanja vode (Decembar 2021).