Когда капля воды падает на горячую сковороду, она скользит по поверхности, перемещаясь на тонком слое пара как миниатюрный воздушный подушка; это явление известно как эффект Лейденфроста. Однако теперь исследователи выяснили, что происходит, когда горячая капля падает на прохладную поверхность. Новые результаты показывают, что горячие и горящие капли могут отскакивать от холодных поверхностей благодаря тонкому слою воздуха, образующемуся под ними.
Ученые задались фундаментальным вопросом – что произойдет при контакте горящей капли с твердой поверхностью. Для проведения эксперимента команда под руководством Пингана Чжу из Городского университета Гонконга использовала гексадекан – маслянистую жидкость со свойствами топлива. Они капали на различные поверхности (гладкие, поцарапанные или жидкоотталкивающие) капли комнатной температуры, нагретые до 120°C и горящие капли этого вещества.
Капля комнатной температуры, как и ожидалось, прилипала ко всем поверхностям при контакте. Однако нагретые и горящие капли отскакивали, что указывало на ключевую роль температуры в этом процессе. Используя высокоскоростные и тепловые камеры вместе с компьютерным моделированием, исследователи зафиксировали движение капель и обнаружили интересный механизм.
При приближении горячей капли к поверхности комнатной температуры её нижняя часть охлаждается быстрее верхней. Эта разница температур вызывает циркуляцию внутри капли – более горячая жидкость течет от краев к центру дна, увлекая за собой воздух. Этот воздух формирует тонкую невидимую подушку в нижней части капли, предотвращая её контакт с поверхностью и позволяя отскакивать. Исследователи отмечают, что хотя распределение температуры играет ключевую роль, другие факторы также могут влиять на этот процесс.
Понимание механизма отскока горячих капель имеет практическое значение. Если горящие капли не прилипают к поверхностям, они не могут воспламенять новые материалы и способствовать распространению огня. Команда исследователей продемонстрировала, что горящие капли на жидкоотталкивающих пластиковых пленках плавали на тонкой воздушной подушке, предотвращая прямой контакт.
Такое покрытие уменьшало площадь контакта капли с поверхностью более чем в четыре раза по сравнению с обычным пластиком, который деформировался и получал повреждения от огня при контакте с горящей каплей. Ученые также изучили это явление в двигателях и обнаружили, что когда капли топлива прилипали к поверхностям, они сгорали неэффективно, оставляя несгоревшие остатки и расходуя энергию впустую.
Но в модели двигателя с жидкоотталкивающим покрытием капли собирались в шарики и сгорали полностью. Эти открытия могут привести к созданию лучших огнестойких материалов и более эффективных двигателей. Исследование также может помочь защитить легковоспламеняющиеся материалы, такие как текстиль, от горящих капель, ограничивая распространение огня и давая пожарным больше времени для его тушения.