Учёные раскрыли секрет красивых «рифлёных» водяных плёнок, образующихся при стекании воды

Используя полые трубки разного диаметра и высокоскоростную съёмку, исследователи из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) запечатлели скрытые формы тонкой жидкой плёнки, остающейся после вытекания воды. Автор: 2025 KAUST

Когда вода вытекает из нижней части вертикальной трубки, за ней следует тонкая плёнка жидкости, которая может принимать сложные и красивые формы. Исследователи из KAUST изучили, как именно формируются и разрушаются эти «рифлёные плёнки», разработав математическую модель их поведения. Это может помочь улучшить производительность, безопасность и эффективность промышленных процессов.

Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

«На первый взгляд, вода, вытекающая из трубки, кажется обычным процессом, управляемым гравитацией, — говорит Абхиджит Кушваха, член исследовательской группы. — Только с помощью высокоскоростной съёмки мы можем замедлить время достаточно, чтобы запечатлеть скрытую хореографию этого процесса».

Для исследования команда использовала полые трубки разного диаметра, заполненные водой на разную высоту. Когда исследователи позволяли воде вытекать, высокоскоростная камера фиксировала формирующиеся формы в течение примерно ста миллисекунд.

Это выявило любопытный эффект для определённых комбинаций диаметра трубки и высоты воды. По мере стекания жидкости тонкая плёнка воды задерживалась на стенках трубки и опускалась медленнее. После того как основной столб воды покидал трубку, эта плёнка появлялась и формировала кратковременный пузырь в форме тюльпана. В некоторых случаях рифлёная плёнка быстро втягивалась обратно в трубку; в других — растягивалась, пока столб воды не отрывался от неё.

Формирование рифлёных плёнок зависит от delicate balance гравитации, поверхностного натяжения, инерции и вязкости, объясняет Кушваха. Если столб воды слишком короткий или трубка слишком узкая, плёнка не образуется. И наоборот, самые широкие трубки производят цилиндрическую плёнку, которая отрывается от трубки, создавая форму короны.

Исследователи создали математическую модель для прогнозирования поведения этих плёнок на основе нескольких простых параметров, таких как радиус трубки и высота воды.

«Это может послужить основой для лучших стратегий проектирования и управления в любой системе, где тонкие жидкие плёнки играют vital роль — от промышленных реакторов до микроэлектроники и биологических систем, таких как лёгкие», — объясняет Тадд Траскотт, руководитель исследования.

Например, устройства, называемые падающе-плёночными испарителями, широко используются в таких отраслях, как переработка пищевых продуктов, фармацевтика и производство электроэнергии, для концентрирования жидкостей или удаления растворителей. В этих системах используются тонкие плёнки жидкости, которые испаряются, стекая по стенкам нагретых трубок. Если эти плёнки рвутся или становятся неравномерными, эффективность теплопередачи может снизиться или оборудование может быть повреждено.

«Наше исследование способствует лучшему пониманию того, когда и как такие плёнки могут разрываться или вести себя непредсказуемо, предлагая идеи, которые могут быть использованы для проектирования более надёжных систем, — говорит Траскотт. — Это также может быть актуально для охлаждения ракетных двигателей или нанесения защитных покрытий на поверхности».

Команда планирует изучить, как другие жидкости ведут себя в более широком диапазоне трубок.

«В конечном счёте, наша цель — разработать прогностическую framework, которая поможет учёным и инженерам понимать, проектировать и оптимизировать системы, где тонкие плёнки играют скрытую, но crucial роль», — добавляет Кушваха.

Больше информации: Abhijit K. Kushwaha et al, Transient Fluted Films behind Falling Water Columns, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.224001

Источник: King Abdullah University of Science and Technology