Cseppek és buborékok alakja a Tudomány számára
Hogyan fordulhat elő, hogy egy "kis" csepp gömb alakú? És mi van a "kövérekkel"? És buborékok? A mindennapi jelenségeken túl ezekre a kérdésekre adott válasz segít megérteni, mi modellez bizonyos égi tárgyakat.
Csakúgy, mint egy gömbbé kondenzálódó csepp molekulái, rendkívüli hidegben a császárpingvinek is körbe tömörülnek egymással, ez a forma minimalizálja a hóviharnak kitett élek számát.
Kezdjük a folyadékok definíciójából, amelyet Francis Ponge javasolt A dolgok elfogultsága című könyvben: "A folyadék értelemszerűen az, amelyik inkább engedelmeskedik a gravitációnak, mint annak, hogy fenntartsa az alakját, amely semmilyen formában nem hajlandó engedelmeskedni a gravitációjának." És ki veszít minden hozzáállást emiatt a rögeszméje, ez a beteges veszekedés miatt. "
Alaktalanok és a gravitációnak is alávetettek tehát víznek mutatnák magukat; ezért képes összeilleszteni konténereit (egy pohár, egy folyó medre), vagy leereszkedni a lejtőkön: „mindig alacsonyabbra”, mondja Ponge, „úgy tűnik, hogy ez a mottója: az excelsior ellentéte”. De ami igaz egy centiméternél nagyobb méretű folyékony testre, az megszűnik a milliméternél kisebb gömbök esetében: ekkor megjelennek más erők, amelyeket egy nagyobb léptékű gravitációs erő eltakar, és gömbökké formálják a cseppeket.
Ezek az erők, az úgynevezett felületi feszültség, bármely sűrű test (szilárd vagy folyékony) kohéziójával társulnak: az ezt a testet alkotó molekulák közötti kölcsönhatások agglomerálódásra késztetik őket. Ez a csoportosítás azonban kizár néhány molekulát, azokat, amelyek a gömb határán vannak. Ezért egy erő hat a gömbre, hogy olyan alakot kapjon, amely minimalizálja a felszínén lévő molekulák számát: ez a gömb. Így egy csepp, ha csak felületi feszültségnek van kitéve, például egy felhőben, gömb alakú lesz - és ettől az alaktól való bármilyen eltérés tükrözi a globulánkra ható más erők létét.
A fagyos időben a császár pingvin kolóniák síkjából látható csoportosulás kétdimenziós képet ad erről a jelenségről (lásd 2. ábra). A molekulákhoz hasonlóan a pingvinek is kondenzálódnak, vagyis összebújnak (felmelegednek). A csoport azt a formát ölti, amely a legkevesebb pingvint "áldozza" (áldozatul hívjuk azokat az egyéneket, akik a csoport határán vannak): ez a kör. Ne feledje, hogy a határpingvinek egy idő után visszatérnek a csoportba, hogy felmelegedjenek. Ezután helyettesítik azokat, amelyek korábban melegek voltak. Ezek a belső mozgások arra is emlékeztetnek, hogy mi történik egy folyadékban, ahol a molekulák egymáshoz képest mozognak.
Uralkodó erők
De mi a csepp vagy a buborék tényleges alakja? Minden az érintett erőkön múlik. Egy csepp olaj egy vinaigrette-ben szinte súlytalan Archimedes nyomása miatt. Ekkor a domináns erő a felületi feszültség, a csepp gömb alakú.
A cseppek megfigyelésére támasztékra is lehet helyezni (víz műanyagon vagy lapon). Az alak ezután a lerakódott térfogattól függ: ha a nagyon nagy cseppek a tócsákban szétterülnek, a gravitáció miatt a kisebbek leggyakrabban kupakokat képeznek, amelyek annál gömbölyűbbek, mivel térfogata alacsony. Itt van a minimális felület elvének alkalmazása, bár az alapul szolgáló szilárd anyag jelenléte meghiúsítja azt, amely a cseppre diktálja azt a szöget, amellyel hozzá kell csatlakoznia: ha a szilárd anyag hidrofil, akkor ez a szög éles lesz, míg ha hidrofób, tompa lesz. Ezért csak a gömb egyes részeit figyelhetjük meg a szilárd anyagokra (vagy azok alá) helyezett cseppekre (vagy kis buborékokra).
Szuperhidrofób anyagokkal közelíthetjük meg a teljes gömböt, amelyen egy csepp érintkezési szöge 180 ° felé hajlik. Az ilyen helyzet előnye nyilvánvaló, mivel a cseppek nagyon kevéssé ragaszkodnak támogatásukhoz. A gyakorlatban a 170 ° nagyságú szögeket hidrofób és durva szilárd anyagok felhasználásával érik el, nagyon kicsiben: a víz nem jut be az érdességbe, ezért a textúra tetején nyugszik (mint a fakír a szőnyegén) a körmök). Mivel leginkább a levegő van a csepp alatt, ez utóbbi (majdnem) eléri a gömb alakú állapotot (lásd 1. ábra).
A szuperhidrofób hatás akkor éri el a maximumát, ha egy cseppet egy nagyon forró lemezre helyeznek (messze túlmutatva a folyadék forráspontján): ezután gőzfóliát helyeznek a szilárd anyag és a csepp közé, amely teljes egészében ezen a párnán nyugszik levegő, valóban gömb alakú, ahogyan azt a duisburgi orvos, Dr. Leidenfrost megértette a XVIII. A gőzfólia hőszigeteli a folyadékot, amely sokkal tovább bírja, mint az várható lenne. Ez például a folyékony nitrogén földre juttatásával tapasztalható: a képződő kis gyöngyök nagyon lassan elpárolognak, figyelembe véve a köztük és a talaj között fennálló hőmérsékleti különbséget (200 ° C felett). Jules Verne számára ez a szigetelő hatás menti meg könnyekkel Michel Strogoff nedves szemeit, míg egy fehéren forró penge megkeféli őket, hogy megvakuljon.
Az éles izzószál, amely megtartja a cseppet, az 1990-es években átfogó leírások tárgyát képezte, amely efemer tárgy és önmagában is figyelemre méltó. A folyékony csúcs kissé ellentéte a cseppnek: óriási felülete nagyon kicsi térfogatú. Ez a háló gyakorlati szempontból a kutatók számára is érdekes, mivel ezután műholdas cseppeket állít elő. Ha ez utóbbiak nem számítanak nekünk egy csapból történő csepegés esetén, akkor a felbontás elmosódásával ártalmasnak bizonyulnak egy tintasugaras nyomtatón.