За формата на капки и мехурчета За науката
Как се случва „малка“ капка да е сферична? А какво да кажем за „дебелите“? А мехурчета? Отвъд ежедневните явления, отговорът на тези въпроси помага да се разбере какво моделира определени небесни обекти.
Подобно на молекулите на капка, която се кондензира в сфери, при силен студ, императорските пингвини се сбиват един срещу друг в кръг, форма, която намалява броя на индивидите по ръба, подложени на виелицата.
Нека започнем от определението за течности, предложено от Франсис Понг в „Пристрастието на нещата“: „Течността по дефиниция е тази, която предпочита да се подчинява на гравитацията, вместо да поддържа формата си, която отказва всяка форма да се подчини на гравитацията си“. И който губи всякаква нагласа заради тази мания, тази болезнена скрупулация. "
И безформен, и подвластен на гравитацията, следователно такъв ще ни се представи вода; оттук и способността му да съответства на контейнерите си (чаша, коритото на река) или да се спуска надолу по склоновете: „винаги по-ниско“, уточнява Пондж, „такъв е неговият девиз: противоположността на excelsior“. Но това, което е вярно за всяко течно тяло в мащаб, по-голям от сантиметър, престава да бъде така за глобули, по-малки от милиметър: тогава се появяват други сили, маскирани от силата на гравитацията в по-голям мащаб и оформят капките в сфери.
Тези сили, наречени повърхностно напрежение, са свързани с кохезията на всяко плътно тяло (твърдо или течно): взаимодействията между молекулите, съставляващи това тяло, ги карат да се агломерират. Това групиране обаче изключва някои от молекулите, които са на границата на глобулата. Следователно сила действа върху глобулата, за да й придаде формата, която свежда до минимум броя на молекулите на нейната повърхност: тя е сферата. Така капка, когато е подложена само на повърхностно напрежение, например в облак, ще приеме сферична форма - и всяко отклонение от тази форма ще отразява съществуването на други сили, действащи върху нашата глобула.
Групирането, наблюдавано от равнината на колониите на императорски пингвини при мразовито време, предоставя двуизмерна картина на това явление (вж. Фигура 2). Подобно на молекулите, пингвините се кондензират, т.е.сгушват се (за да се затоплят). Групата ще приеме формата, която "жертва" най-малкото пингвини (наричаме жертвите на границата на групата): това е кръгът. Имайте предвид, че граничните пингвини се връщат след известно време в групата, за да се затоплят. След това те се заменят с други, които преди са били топли. Тези вътрешни движения също напомнят това, което се случва в течност, където молекулите се движат една спрямо друга.
Доминиращи сили
Но каква е действителната форма на капка или балон? Всичко зависи от участващите сили. Капка масло във винегрет е почти безтегловност заради натиска на Архимед. Тогава доминиращата сила е повърхностното напрежение и падането е сферично.
За да наблюдават капки, те могат да се поставят и върху подложка (вода върху пластмасов материал или върху лист). Тогава формата зависи от депозирания обем: ако много големите капки се разпръснат по локви, поради гравитацията, по-малките най-често образуват капачки, които са толкова по-сферични, тъй като обемът им е малък. Тук имаме приложението на принципа на минималната повърхност, въпреки че е осуетено от присъствието на подлежащото твърдо вещество, което диктува на падането ъгъла, с който трябва да се присъедини към него: ако твърдото вещество е хидрофилно, този ъгъл ще бъде остър, докато ако той е хидрофобен, ще бъде тъп. Следователно ще наблюдаваме само части от сфера за капчици (или за малки мехурчета), поставени върху (или под) твърди частици.
Можем обаче да се приближим до цялата сфера със суперхидрофобни материали, върху които капка има ъгъл на контакт, който клони към 180 °. Предимството на такава ситуация е очевидно, тъй като капките прилепват много малко към тяхната подкрепа. На практика ъгли от порядъка на 170 ° се постигат с помощта на твърди вещества, които са едновременно хидрофобни и грапави в много малък мащаб: водата не навлиза в грапавостта и следователно опира върху върховете на текстурата (като факира върху нейния килим на ноктите). Тъй като под капката има предимно въздух, последният (почти) ще достигне сфероидното състояние (виж фигура 1).
Суперхидрофобният ефект достига своя максимум, когато капчица се постави върху силно загрята плоча (далеч над точката на кипене на течността): след това се вкарва филм от пара между твърдото вещество и капчицата, които, почивайки изцяло върху тази възглавница на въздуха, наистина има сферична форма, както беше разбрал лекар от Дуйсбург, д-р Лайденфрост през осемнадесети век. Паровият филм термично изолира течността, която се задържа много по-дълго, отколкото може да се очаква. Това може да се види, например, чрез разпространение на течен азот върху земята: малките перли, които се образуват, се изпаряват много бавно, като се има предвид температурната разлика (над 200 ° C), която съществува между тях и земята. За Жул Верн именно този изолационен ефект спестява влажните очи на Мишел Строгоф със сълзи, докато горещо острие ги четка, за да го ослепи.
Острата нишка, която задържа самата капка, е била обект на обширни описания през 90-те години на ХХ век. Това е ефемерен обект и забележителен сам по себе си. Течният връх е малко обратното на капка: той има огромна повърхност за много малък обем. Тази мрежа също представлява практически интерес за изследователите, тъй като след това произвежда сателитни капчици. Ако последните не са от значение за нас в случай на капене от чешмата, те се оказват вредни за мастилено-струен принтер, като замъгляват разделителната способност.