Matematika, fizika, kemija

Evo kako meke kapljice tekućine erodiraju tvrde površine

Nika Beluhan

Prva studija ove vrste koju su vodili istraživači Twin Cities Sveučilišta u Minnesoti otkriva zašto kapljice tekućine imaju sposobnost erodiranja tvrdih površina. Otkriće bi moglo pomoći inženjerima da dizajniraju bolje materijale otpornije na eroziju.

Koristeći novorazvijenu tehniku, znanstvenici su uspjeli izmjeriti skrivene veličine poput posmičnog naprezanja i tlaka nastalog udarom kapljica tekućine na površine, što je fenomen koji je bio proučavan samo vizualno.

Istraživači su godinama proučavali utjecaj kapljica, od načina na koji kišne kapi udaraju o tlo do prijenosa patogena kao što je COVID-19 u aerosolima. Opće je poznato da kapljice vode koje sporo kapaju mogu s vremenom nagrizati površine. Ali zašto nešto naizgled meko i fluidno može imati tako velik utjecaj na tvrde površine?

"Postoje slične izreke i u istočnim i u zapadnim kulturama da 'Kapanje vode izdubljuje kamen'", objasnio je Xiang Cheng, autor rada i izvanredni profesor na Odsjeku za kemijsko inženjerstvo i znanost o materijalima Sveučilišta u Minnesoti. "Ovakve izreke imaju namjeru naučiti moralnu lekciju: 'Budite uporni. Čak i ako ste slabi, kada nastavite raditi nešto kontinuirano, imat ćete utjecaj.' Ali, kada nešto tako meko poput kapljica udara u nešto tako tvrdo poput kamenja, ne možete se zapitati: 'Zašto udar kapljice uopće uzrokuje štetu?' To je pitanje ono što je motiviralo naše istraživanje."


U prošlosti se utjecaj kapljica analizirao samo vizualno pomoću kamera velike brzine. Nova tehnika istraživača Sveučilišta u Minnesoti, nazvana brza mikroskopija naprezanja, pruža kvantitativniji način proučavanja ovog fenomena izravnim mjerenjem sile, naprezanja i tlaka ispod kapljica tekućine dok udaraju o površine.

Istraživači su otkrili da se sila na koju djeluje kapljica zapravo širi s udarnom kapljicom – umjesto da bude koncentrirana u središtu kapljice – a brzina kojom se kapljica širi prelazi brzinu zvuka u kratkim vremenima, stvarajući šok val po površini. Svaka se kapljica ponaša poput male bombe, eksplozivno oslobađajući svoju udarnu energiju i dajući joj silu potrebnu za erodiranje površina tijekom vremena.

Osim što utire novi način proučavanja utjecaja kapljica, ovo bi istraživanje moglo pomoći inženjerima da dizajniraju površine otpornije na eroziju za aplikacije koje moraju izdržati vanjske elemente. Cheng i njegov laboratorij na Sveučilištu Minnesota Twin Cities već planiraju proširiti ovo istraživanje kako bi proučili kako različite teksture i materijali mijenjaju količinu sile koju stvaraju kapljice tekućine.

"Na primjer, bojimo površinu zgrade ili premažemo lopatice vjetroturbina kako bismo zaštitili površine", rekao je Cheng. "Ali s vremenom, kapljice kiše i dalje mogu uzrokovati štetu udarom. Dakle, naše istraživanje nakon ovog rada je vidjeti možemo li smanjiti količinu posmičnog naprezanja kapljica, što bi nam omogućilo da dizajniramo posebne površine koje mogu ublažiti naprezanje."

Izvor: Phys.org

Možda će vas zanimati