Fenomen som involverar ytspänning är extremt komplexa och har tillämpningar i våra vardagsliv, och OIST -forskare hanterar den komplicerade matematiken bakom fysiken.

Effekterna av ytspänning är av central betydelse i många vardagsfenomen:det får små regndroppar att fastna vid dina fönster, skapar bubblor när du lägger till tvättmedel i din diskbänk, och driver vattenstridande insekter på ytan av dammar. Det framkallar till och med "vinets tårar", en ring av klar vätska nära toppen av insidan av ett glas vin från vilken droppar kontinuerligt bildas och faller tillbaka i vinet nedanför. Dock, trots sin allestädes närvarande och långa historia av vetenskapliga observationer, ytspänning - och vätskans interaktion med olika ytspänningar - är ännu inte helt förstått. Med tanke på problemets komplexitet, förenklade modeller har använts i decennier. Men nu, OIST -forskare har tagit ett nytt steg mot en mer fullständig förståelse, rapporteras i Journal of Fluid Mechanics , genom att ta itu med en invecklad egenskap hos ytspänning. Resultatet avslöjar att en vanligt förekommande approximation ger förvånansvärt noggranna resultat, trots problemets komplexitet.

Arbetet är en fortsättning på tidigare studier där OIST -forskare studerade rörelsen av acetondroppar som drivs av ytspänning, glider på vattenytan.

"Eftersom fenomenet är så komplicerat, Jag tänkte på det enklaste systemet som ännu inte har studerats, försöker gissa krafterna som appliceras på droppen som skulle få den att röra sig, "förklarade Dr Stoffel Janssens." Detta är ett litet steg mot att helt förstå hur en droppe vätska rör sig på vatten på grund av ytspänning. "

Forskarna inom matematik, Mekanik, och Materialenhet som leds av prof. Eliot Fried utformade en enkel enhet i form av ett rektangulärt kärl fyllt med vatten, i vilken en stationär cylinder är delvis nedsänkt. Ett ytaktivt ämne - en organisk molekyl som minskar ytspänningen - appliceras på vattenytan på ena sidan av cylindern, vilket gör det möjligt för forskarna att mäta profilerna av de ytaktiva ämnena och de ytaktivt laddade delarna av vattenytan. Dessa mätningar hjälpte forskarna att bygga en teoretisk modell som används för att bestämma krafterna som verkar på cylindern.

Kärnan i komplexiteten ligger i geometrin:vattenytan böjer sig mot cylindern och krökningen beror direkt på ytspänningen. Med ett ytaktivt ämne på ena sidan av cylindern, vattenytoprofilerna på varje sida av cylindern är asymmetriska på grund av de olika krökningarna, vilket gör beräkningen av krafterna på cylindern matematiskt mer komplex. Tills nu, en förenklad modell ignorerade dessa kurvor under antagandet att vattenytan förblir helt plan på båda sidor av cylindern.

Forskarna beskrev problemet med tre oberoende metoder:de beräknade de mekaniska krafterna som applicerades på cylindern först numeriskt, kräver hjälp av en dator för att tillhandahålla lösningar för de komplexa ekvationerna. Inspirerad av de numeriska resultaten, de gick över till en analytisk metod, även kallad "penna och papper" -metoden, för att bekräfta modellen.

"Med den numeriska metoden, du måste förse algoritmen med inmatningsvärden, så på ett sätt löser du ekvationerna för mycket specifika fall, "kommenterade professor Fried." Du kan få en känsla för vad som händer men du kan inte ge ett allmänt bevis. Om du gör det analytiskt med penna och papper, utan att ha valt särskilda numeriska värden, då har du något som gäller i allmänhet. "

Forskarna analyserade slutligen problemet med ett tredje oberoende tillvägagångssätt baserat på energi snarare än mekaniska krafter.

Alla tre metoderna leder till samma oväntade resultat:vi kan säkert ignorera krökning av vatten-luft-gränssnittet eftersom de beräknade krafterna är lika med de som erhålls med den förenklade modellen, där vattenytan antas vara plan.

"Vi kunde inte utesluta att om man ignorerar krökningen hos vatten-luft-gränssnittet skulle det leda till oacceptabla fel, "kommenterade Dr Janssens." Överraskande nog, dock, det visar sig att den förenklade modellen som använts i decennier är mycket exakt! "

Förutom att lösa ett invecklat problem, resultatet av denna forskning ger mer förtroende för mätningar som Langmuir -balansen som har använts under det senaste århundradet. Dessutom, detta är det första steget mot att förstå det komplexa fenomenet med en acetondroppe som glider på vatten på grund av ytspänning.

"Detta arbete kan ses som en reduktionistisk strategi, där vi har tagit ett steg tillbaka från det mycket komplicerade fenomenet och försöker lösa det bitvis från de mest grundläggande funktionerna, "avslutade professor Fried." Nu kan vi gå vidare till ett något mer utmanande problem, till exempel där cylindern får glida över vätskan. "