Когда капля падает сквозь тучи, оно подлежит сильные электрические поля, которые тянут и буксира на капли, как мыльный пузырь на ветру. Если электрическое поле достаточно сильное, оно может вызвать капли для разрывались, создавая прекрасный, наэлектризованный туман.
Ученые начали замечать, как капли ведут себя в электрическом поле в начале 1900-х годов, на фоне опасений по поводу ударов молнии, что были повреждения вновь построенных линий электропередач. Вскоре они поняли, что собственные силы линий электрических полей вызывая капли дождя лопаются вокруг них, обеспечивая проводящий путь для удара молнии. Это откровение привело инженеров для того чтобы конструировать более толстые покрытия вокруг линий электропередач для ограничения ударов молнии.
Сегодня ученые понимают, что чем сильнее электрическое поле, тем больше вероятность того, что капля в он лопнет. Но, вычислив точное напряженности поля, который лопнет в частности капельки всегда был вовлечен математических задач.
Теперь, исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что условия, при которых капли врывается в электрическом поле все сводятся к одной простой формуле, которую группа получила в первый раз.
С помощью этого простого новое уравнение, исследователи могут предсказать точную прочность электрического поля должна лопнуть капли или сохранить его стабильным. Эта формула применяется в трех случаях, которые ранее анализировали по отдельности: капли нацепил на поверхности, скользя по поверхности, и свободно плавающий в воздухе.
Их результаты, опубликованные сегодня в журнале письма в ЖЭТФ, может помочь инженерам настраивать электрического поля или размер капель для различных приложений, которые зависят от электризации капель. Они включают технологий для воздуха или очистки воды, космических двигателей, и молекулярный анализ.
“Перед нашими результате, инженерам и ученым пришлось проанализировать вычислительноемких моделирования для оценки устойчивости наэлектризованные капельки”, — говорит ведущий автор исследования Джастин врач, аспирант кафедр института машиностроения и физики. “С нашими уравнение, можно прогнозировать такое поведение сразу же, с помощью простой бумаги и карандаша расчет. Это имеет большое практическое пособие для инженеров, работающих с или пытается дизайна, любая система, которая включает в себя жидкости и электроэнергии”.
Бероза’ соавторы А. Джон Харт, адъюнкт-профессор машиностроения, и Джон Буш, профессор математики.
“Что-то неожиданно простое”
Капли, как правило, к форме, как идеальный маленький сферах из-за поверхностного натяжения, сплоченной силой, которая связывает молекулы воды в капле поверхности и вытягивает молекулы внутрь. Капли могут исказить из своей сферической формы в присутствии других сил, таких как сила от электрического поля. В то время как поверхностное натяжение, чтобы удерживать капли вместе, электрическое поле действует как противодействующая сила, потяните капелька как заряд создает на его поверхности.
“В какой-то момент, если электрическое поле достаточно сильное, каплю не могу найти форму, которая уравновешивает электрическую силу, и в этот момент она становится нестабильной и взрывается,” врач объясняет.
Он и его команда были заинтересованы в данный момент просто лопнул, когда капля была искажена его чрезвычайно стабильную форму. Команда поставили эксперимент, в котором они медленно отпускаться капель воды на металлическую пластину, которая была электрифицирована, чтобы произвести электрическое поле, и использовали высокоскоростные камеры, чтобы записывать искаженные формы в каждой капельке.
“Эксперимент-это очень скучно сначала — ты смотришь на капли медленно меняют форму, а потом вдруг он просто лопается,” Бероз говорит.
После экспериментов на капли различных размеров и под различные сильные стороны электрического поля, Бероза, изолированные видеокадра перед каждым лопаются капельки, затем изложил ее чрезвычайно стабильную форму и рассчитать несколько параметров, таких как объем капли, высоту и радиус. Он рассчитал данные от каждой капли и, к своему удивлению, что все они пали вместе безошибочно прямой линии.
“С теоретической точки зрения, это было неожиданно простой результат данной математической сложности проблемы”, — говорит врач. “Он предположил, что там может быть упускается из виду, но простой, способ расчета критерия Burst для капельки”.
Капли воды, при условии электрическое поле медленно растет сила, внезапно лопается, испуская тонкую, наэлектризованный туман от ее вершины.
Громкость выше высота
Физикам уже давно известно, что капли жидкости в электрическом поле может быть представлена совокупностью связанных нелинейных дифференциальных уравнений. Эти уравнения, однако, невероятно сложно решить. Чтобы найти решение требует определения конфигурации электрического поля, в форме капли, и давление внутри капель, одновременно.
“Это обычно бывает в физике: можно легко записать уравнения, но очень сложно на самом деле решить их”, — говорит врач. “Но для капельки, получается, что если вы выберете конкретного сочетания физических параметров, чтобы определить проблемы с самого начала, решение может быть получено в несколько строк. В противном случае это невозможно”.
Физиков, которые пытались решить эти уравнения в прошлом сделали это с учетом, среди прочих параметров, капелька, высоту — простой и естественный выбор для тех, характеризующий форму капельки. Но врач сделал другой выбор, рефрейминг уравнений по объему капли, а не его высота. Это было ключевым моментом для того, чтобы переформулировать проблему в удобном для решения формулы.
“За последние 100 лет, съезд должен был выбрать высоту,” Бероз говорит. “Но как капля деформируется, его высота меняется, а потому и математической сложности проблемы заложено в высоту. С другой стороны, объем капли остается фиксированной независимо от того, как он деформируется в электрическом поле”.
При составлении уравнений, используя только параметры, которые “зашиты” в том же смысле, как объем капли, “в сложных, неразрешимых частях уравнения сокращаются, оставляя простое уравнение, которое совпадает с экспериментальными результатами,” говорит врач.
В частности, в новой формуле команды производных связывает пять параметров: капли поверхностного натяжения, радиуса, объема, напряженности электрического поля и электрической проницаемости воздуха, окружающего каплю. Затыкать любые четыре из этих параметров в формулу расчета пятой.
Врач говорит, что инженеры могут использовать формулу, чтобы разработать такие методы, как electrospraying, который предполагает разрыва капли поддерживается на отверстие наэлектризованного сопло для получения мелких брызг. Electrospraying обычно используется для распылить биомолекул из раствора, так что они могут проходить через спектрометр для детального анализа. Техника также используется для создания тяги и приведения в движение спутников в космосе.
“Если вы разрабатываете систему, которая включает в себя жидкости и электроэнергии, это очень практично иметь уравнения, как это, что вы можете использовать каждый день”, — говорит врач.
Это исследование было частично финансируется центр Дешпанде МИТ для технологических инноваций, ВАЕ Systems, помощник министра обороны по исследованиям и инженерии через лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, Национального научного фонда и Министерства обороны, национальной обороны, науки и техники аспирантуре.
