Ученые экспериментально изучили взаимодействие тел в форме дисков на поверхности жидкости и построили численную модель данного процесса. Исследование позволяет объяснить, в частности, почему овсяные колечки для завтрака преимущественно образуют группы или находятся у стенок тарелки, но также может оказаться полезным при описании движения живых организмов по воде и создании плавучих микророботов. Оказалось, что для объяснения наблюдаемого поведения необходим учет как вертикального смещения, так и наклона объектов, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
При плавании тела на поверхности жидкости возникает несколько сил, которые могут оказывать влияние на его движение. Как правило, основных сил две — это гравитация и сила Архимеда, но они всегда направлены вдоль вертикальной оси, а если тело плавает, они также должны быть скомпенсированы.
Также необходимо учитывать капиллярные силы, которые связаны с поверхностным натяжением жидкости и ее сродством с материалом тела. Из-за них поверхность жидкости будет искривляться рядом с телом, а результирующая сила с ее стороны будет направлена под углом к горизонтали. Благодаря этому небольшие объекты, например, водомерки, могут плавать на поверхности воды, не погружаясь в нее, то есть не испытывая силы Архимеда.
Искривление поверхности жидкости может повлиять на движение плавающего объекта, например, в случае близости с другим телом. В результате возникает капиллярное притяжение, которое можно наблюдать во многих бытовых ситуациях. Например, этот феномен ответственен за стремление образовывать группы или находится у края сосуда у пузырьков или разнообразных шариков, хлопьев и других видов готовых завтраков. В англоязычной среде данный факт даже получил название «эффекта Cheerios» по торговой марке производителя овсяных колечек, на примере которых данный феномен легко воспроизводится.
У исследований эффекта капиллярного притяжения долгая история, а современные попытки количественного понимания величины воздействия начинаются со статьи 1949 года. Однако большинство сделанных работ посвящены теоретической оценке сил, а экспериментальных измерений относительно мало. В результате зависимость взаимодействия от многих параметров остается неподтвержденной опытным путем.
Физиками из Браунского университета под руководством Дэниела Харриса (Daniel Harris) впервые проведены прямые измерения силы взаимодействия двух макроскопических тел на поверхности воды в зависимости от массы, размера и расстояния между ними. Оказалось, что традиционный теоретический анализ упускал из виду один дополнительный фактор — наклон тел при очень близком расположении. Игнорирование этого факта приводит к недооценке степени их сцепления.
Созданная авторами установка состояла из двух супергидрофобных пластиковых дисков сантиметрового размера, находящихся на поверхности воды. Один из них удерживался на одном месте механическим способом, а другой мог перемещаться, причем в нем также находился небольшой магнит, который позволял двигать его бесконтактным образом за счет внешнего магнитного поля. Такая схема эксперимента позволила на основе необходимого магнитного воздействия определить силу, которая требуется для отрыва слипшихся дисков при разнообразных комбинациях их параметров.
Физики также создали численную модель взаимодействия, результаты которой сперва хорошо согласовывались лишь для относительно больших расстояний между дисками. Как оказалось, причина заключалась в возникающем наклоне дисков при самых близких расположениях — такая конфигурация изменяет направление сил со стороны воды и приводит к увеличению сцепления. Включение этого эффекта в модель позволило достичь намного лучшего соответствия с наблюдениями.
Зависимость силы сцепления в миллиньютонах от расстояния между дисками в миллиметрах. Точками показаны полученные в эксперименте значения, красной линией — численная модель без учета наклона, черной — с учетом наклона.
I. Ho et al. / Physical Review Letters, 2019
