Die Bestimmung, wie viel elektrisches Feld ein Wassertropfen verarbeiten kann, bevor es platzt, hat Wissenschaftler lange gequält.
Das Konzept scheint einfach zu sein, aber es hat sich als schwierig erwiesen, eine einfache mathematische Formel zu finden, die dieses Phänomen erklärt - bis jetzt .
Ein Team von MIT-Wissenschaftlern hat a einfache Formel um die Stabilität eines elektrifizierten Tröpfchens zu beurteilen. Es ist so einfach, dass es mit Bleistift und Papier ausgearbeitet werden kann.
„Vor unserem Ergebnis mussten Ingenieure und Wissenschaftler rechenintensive Simulationen durchführen, um die Stabilität eines elektrifizierten Tröpfchens zu bewerten“, sagt der Hauptautor Justin Beroz, ein Doktorand am MIT-Institut für Maschinenbau und Physik.
„Mit unserer Gleichung kann man dieses Verhalten mit einer einfachen Papier-Bleistift-Berechnung sofort vorhersagen. Dies ist ein großer praktischer Vorteil für Ingenieure, die mit einem System arbeiten oder versuchen, ein System zu entwerfen, das Flüssigkeiten und Elektrizität enthält.“
Entdeckung könnte neuen Raumfahrtmethoden helfen
Das Team hinter der Entdeckung sagt, dass die neue Formel zu neuen Fortschritten in einer Vielzahl von Bereichen führen könnte, vom Weltraumantrieb über Massenspektrometrie bis hin zum hochauflösenden Drucken. Luftreinigung und molekulare Analyse.
Wassertropfen bilden dank der Oberflächenspannung kleine Kugeln. Diese Kraft bindet Wassermoleküle an der Oberfläche eines Tröpfchens und zieht die Moleküle nach innen, wodurch sie die Form bilden.
Diese perfekte Form kann verzerrt werden, wenn sie anderen Kräften wie einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Die Oberflächenspannung versucht, die Tröpfchenform zu halten, aber die Gegenkraft des Feldes zieht das Tröpfchen aus der Form.
„Irgendwann, wenn das elektrische Feld stark genug ist, kann das Tröpfchen keine Form finden, die die elektrische Kraft ausgleicht, und an diesem Punkt wird es instabil und platzt“, erklärt Beroz.
Beroz sagt, sein Team war an dem Moment interessiert - kurz bevor das Tröpfchen platzt und wenn es in seiner verzerrtesten Form ist.
Langweiliges Experiment liefert Ergebnisse
Um dies zu untersuchen, haben die Forscher ein Experiment durchgeführt, bei dem sie langsam Wassertröpfchen auf einer elektrifizierten Platte dispergierten und die Tröpfchen mit einer Superhochgeschwindigkeitskamera aufzeichneten.
„Das Experiment ist zunächst sehr langweilig - Sie beobachten, wie das Tröpfchen langsam seine Form ändert und dann plötzlich einfach platzt“, sagt Beroz.
Zunächst dokumentierte das Team nur eine Reihe von Tropfen, die die Größe des Tropfens und die Stärke des elektrischen Feldes veränderten. Später wurde jeder Rahmen des Tropfens isoliert, um die Verschiebung der Tröpfchenform zu untersuchen, die durch das Feld verzerrt wurdeBeroz skizzierte die kritisch stabile Form jedes Tröpfchens kurz vor dem Platzen und berechnete verschiedene Parameter wie Volumen, Höhe und Radius des Tröpfchens.
Dann zeichnete er diese Daten und stellte fest, dass sie entlang einer geraden Linie fielen.
„Aus theoretischer Sicht war es angesichts der mathematischen Komplexität des Problems ein unerwartet einfaches Ergebnis“, sagt Beroz.
"Es wurde vermutet, dass es eine übersehene und dennoch einfache Möglichkeit gibt, das Burst-Kriterium für die Tröpfchen zu berechnen."
Halten Sie es einfach
Der Schlüssel zur Entdeckung der einfachen Gleichung bestand darin, die Höhe des Tröpfchens zu ignorieren und sich stattdessen auf sein Volumen zu konzentrieren.
„In den letzten 100 Jahren bestand die Konvention darin, die Höhe zu wählen“, sagt Beroz.
„Wenn sich ein Tröpfchen verformt, ändert sich seine Höhe, und daher ist die mathematische Komplexität des Problems mit der Höhe verbunden. Andererseits bleibt das Volumen eines Tröpfchens fest, unabhängig davon, wie es sich im elektrischen Feld verformt.“