Studiet av vätskedroppar och deras beteende vid kollision är av stor betydelse inom många områden, inklusive jordbruk, teknik och medicin. Förutsägelse av droppbeteende används i spraymålning och bekämpningsmedelssprayer, bläckstråleteknik för utskrift och aerosolgenerering under regn. En djupare förståelse av detta fenomen är därför absolut nödvändigt, inte bara för att främja våra kunskaper om vätskefysik utan även teknik.

I detta avseende är ett särskilt spännande fenomen stänk av droppar när de träffar fasta ytor. Flera studier om vätskefilms beteende har hjälpt till att belysa droppstänk. Det har dock inte uppstått någon konsensus om när en droppe kan förväntas stänka. Dessutom är vätningsbeteendet, eller den lätthet med vilken en vätska fäster på släta och grova fasta ytor, lika viktigt att förstå.

Mot bakgrund av detta genomförde en grupp forskare från Japan och Kina nyligen en studie för att ta itu med denna fråga. Forskargruppen, ledd av docent Yukihiro Yonemoto från Kumamoto University, Japan i samarbete med professor Tomoaki Kunugi från Zhejiang University, Kina, har föreslagit en ny modell som kan förutsäga när en droppe kommer att stänka efter att ha träffat en fast yta. Deras forskning publicerades i Scientific Reports och Colloid and Interface Science Communications .

När en droppe kolliderar med en fast yta uppstår en instabil vätskefilm under den träffade droppen. För att ta hänsyn till denna instabilitet modifierade teamet energibalansekvationen som förutsäger spridningskontaktytan för släta och grova ytor.

För att utveckla den teoretiska modellen för att förutsäga stänktillståndet, övervägde teamet tryckbalansen för vätskefilmen. De analytiska resultaten som erhölls genom att kombinera ekvationen för modifierad energibalans och ekvationen för tryckbalansen stämde väl överens med det kritiska Weber-talet (en dimensionslös mängd som kännetecknar vätskeflödet på ytor) för stänk som erhölls experimentellt för vätskedroppar av vatten-etanolblandning.

Resultaten visade att stänktillståndet inte enbart berodde på vätskans viskositet utan också på vätbarheten och strävheten hos den fasta ytan. Vidare styrdes stänkkriteriet av en konkurrens mellan hydrostatiska och hydrodynamiska tryck, som var de drivande krafterna, och kapillärtrycket och viskös spänningar, som var de motsatta krafterna. Stänk uppstod när drivkrafterna vann.

Förutom att förutsäga stänkförhållandena, förutspådde stänkmodellen också storleken på de spridda sekundära dropparna och antalet fingerliknande vätskestrukturer som uppträdde när vätskefilmen destabiliserades. Modellen indikerade att tjockleken på vätskefilmen, som uppstod efter droppen, var relaterad till storleken på de sekundära dropparna. Vidare var storleken på dessa sekundära droppar och antalet fingrar inbördes relaterade. De påverkades också av den fasta ytans vätbarhet/ytråhet utöver vätskeegenskaperna.

"Våra resultat kan bana väg för en bättre förståelse av den grundläggande fysiken för fragmentering av fälg eller vätskefilm samt hitta tillämpningar inom viktiga tekniska områden relaterade till tryckning, beläggning och sprutning", säger Dr Yonemoto. + Utforska vidare

Att göra ett plask är allt i vinkeln