Физики из Великобритании исследовали, как будет меняться форма капли жидкости и при каких условиях она начнет распадаться, если ее одновременно заряжать и вращать. Результаты работы могут оказаться полезными как для описания астрофизических процессов, так и для изучения вращательного движения атомных ядер и молекулярных кластеров. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Исследование динамики вращательного движения свободных капель описывает процессы, происходящие на совершенно разных масштабах длины — от описания атомных ядер и отдельных молекул до вращения небесных тел. Большинство из них можно рассматривать как жидкие шарообразные объекты со свободной заряженной поверхностью. Но если отдельно процессы, происходящие при вращении незаряженной свободной капли или при увеличении плотности заряда невращающейся капли, изучены довольно неплохо, то совместное действие заряда и вращения было до настоящего момента исследовано лишь для отдельных частных ситуаций.

В случае отсутствия заряда при вращении с небольшими скоростями капли жидкости постепенно сплющивается, принимая форму эллипсоида. При дальнейшем увеличении скорости вращения капля становится гантелеобразной, а при совсем быстром вращении происходит ее разрыв в области шейки «гантели» и разделение на две отдельные капли. Если же каплю не вращать, а только постепенно заряжать, то долгое время она будет сохранять сферическую форму, пока заряд поверхности не достигнет определенного критического значения, при котором электростатические силы начнут ее разрывать. В этом случае на поверхности капли образуется тейлоровский конус, из которого начинают выстреливать маленькие дочерние капли, в результате чего образуется заряженный аэрозоль.

В новом исследовании ученые из Великобритании изучили, что происходит с каплей, которая одновременно и заряжена, и вращается. Они рассмотрели процесс постепенного нарушения симметрии различных капель и определили, какой из двух механизмов расщепления капли оказывается доминирующим.

Для своего эксперимента они использовали капли этанола и смеси тетрабутанола и воды, левитирующие в магнитном поле. Объем изучаемых капель составлял около одного микролитра, а состав выбирался таким образом, чтобы жидкость обладала достаточной магнитной восприимчивостью для левитации и достаточной вязкостью для возможности подавить колебания поверхности при ее вращении. Капля помещалась внутрь магнитного поля. А для того, чтобы ее зарядить, в нем дополнительно создавалось электростатическое поле с разностью потенциалов 7 киловольт.

Схема установки для изучения левитации заряженных капель. L. Liao and R. J. A. Hill/ Physical Review Letters, 2017

Для исследования физики ввели безразмерный параметр, который определяет отношение электростатической энергии к удвоенной энергии поверхностного натяжения. Известно, что для образования конуса Тейлора и расщепления невращающейся капли критическим значением является единица. Поэтому заряд ученые варьировали таким образом, чтобы значение этого параметра не превышало единицы.

Фазовая диаграмма формы вращающихся заряженных капель. L. Liao and R. J. A. Hill/ Physical Review Letters, 2017

Фотографии капель при различных скоростях вращения и зарядах поверхности. L. Liao and R. J. A. Hill/ Physical Review Letters, 2017

Проварьировав угловую скорость и заряд капель (вплоть до критического), ученые построили «фазовую диаграмму» устойчивой формы капли. Как и предполагалось, в зависимости от заряда и скорости поверхности для состояния капли можно выделить три основных режима. Первая область характерна для небольших скоростей вращения, в ней капля имеет осесимметричную форму. Вторая область наблюдается при промежуточных значениях заряда капли и скорости вращения, и в ней капля остается устойчивой, но теряет осевую симметрию формы и принимают форму гантели или капсулы. И третья область — область неустойчивых капель. При больших зарядах и больших скоростях вращения капля теряет устойчивость и расщепляется на более маленькие. В зависимости от условий потеря устойчивости может происходить либо по механизму разрыва гантели, либо в результате образования конуса Тейлора. Кроме того, ученым удалось зарегистрировать и необычный режим расщепления капель, который является смесью двух механизмов.

Полученные данные представляют собой полную фазовую диаграмму устойчивости заряженной капли жидкости при вращении и предлагают полностью классический механизм потери устойчивости в таких системах. Эти результаты могут оказаться весьма полезны, например, для описания классического вклада в процессы, происходящие при эволюции звезд, которую ученые могут наблюдать даже в реальном времени, и образовании их магнитного поля при вращении.

Автор: Александр Дубов