描述喷气形成的新数学模型

一滴咖啡在杯子中撞击液体表面，在短时间内形成了一个特征的咖啡塔，有时甚至在上面有一个新的液滴。咖啡广告以显示这种效果而闻名。

来自阿姆斯特丹，代尔夫特和巴黎的一组研究人员的一项新研究为这一复杂效果提供了新的见解。该研究最近发表在物理审查流体。

这种称为喷气形成的效果不仅是咖啡的特定效果。例如，当雨滴撞到池塘时，可以观察到相同的效果。

当一滴牛奶被滴在咖啡表面而不是咖啡上时，会看到另一个令人惊讶的效果：液体塔主要是白色的。这意味着不是咖啡向上飞溅。相反，牛奶倾向于“反弹”。

不只是重力

长期以来已经知道了对喷射效应的粗略解释。当液滴撞击液体表面时，表面可以获得暂时的“冲击火山口”。一旦液体飞回了这个火山口的中心，它就无处可去，而是向上，这就是喷气机的形成方式。

阿姆斯特丹大学物理研究所的研究首席作者Cees Van Rijn

尽管此过程已经研究了100多年，但其确切细节仍不清楚。具体而言，洞察射流向上移动的速度变化是某种谜团的谜团。

研究人员使用激光光和快速摄像头分析各种液体，并发现在形成后立即以令人难以置信的速度降低了喷气机的速度。

“人们可能会期望射流放慢的主要原因是由于重力向下拉动液体。但是，我们观察到形成后，减速可能比仅由重力来解释的五到二十倍。，” van Rijn补充说。

构建模型

研究人员提出，这种极端减速的关键因素是液体的表面张力，这种张力可以使肥皂泡的形成。

塔上液体的外层的表现与这种气泡非常相似，其曲率强迫射流减速并最终收缩 - 基于重力，比预期的要快得多。

当刚刚形成喷气机时，效果最强。到液体达到最高点时，情况基本上已经恢复正常：液体最多落后于重力引起的加速度的两倍，并且当表面再次达到表面时，液体却失去了最后的额外加速度。整个复杂的过程发生在大约十分之一一秒钟。

阿姆斯特丹大学物理研究所的研究首席作者Cees Van Rijn

考虑到这种解释，物理学家努力开发一种数学模型来描述喷气形成。使用喷气机的另一个压倒性属性涉及的模型：它们总是看起来几乎相同 - 也就是说，只有射流的宽度和高度随时间而有所不同，而其形状没有变化。

使用“自相似性”的这种特性，研究人员可以开发一个高度准确的模型，与对乙醇，水以及甘油和水的混合物（如乙醇，水）的测量相比，该模型与所有观测值非常匹配。

进入太空

物理学家已经在计划其计划的进一步步骤 - 实际上，他们计划将实验带入太空。

完全摆脱重力并仅仅了解表面张力的作用将是非常好的。我们很想在国际空间站进行下一套实验，以了解无重力环境中的确切发生。

阿姆斯特丹大学物理研究所的研究首席作者Cees Van Rijn

期刊参考：

Van Rijn，C。J。M.，等。（2021）滴在液体表面上撞击后的自相似喷射进化。物理审查流体。doi.org/10.1103/physrevfluids.6.034801。

资源：https://iop.uva.nl/