科學家發現了一個出乎意料的簡單公式,它控制物理學中看似最不可知的極限之一:確定水滴在破裂之前可以承受多少電場。
物理學家對這種無窮小的現像已經研究了幾十年,但雖然整體概念可能很容易想像,但辨別支撐這種帶電爆炸的數學關係卻絕非易事。
既然已經弄清楚了,科學家表示,這個公式可能會帶來從太空推進到質譜、高解析度列印、空氣淨化、分子分析等各個領域的新進步。
由於電場越來越強,水滴在其頂端破裂。 (麻省理工學院)
“在我們得到結果之前,工程師和科學家必須進行計算密集型模擬來評估帶電液滴的穩定性,”解釋麻省理工學院機械工程和物理學研究生賈斯汀·貝羅茲。
“透過我們的方程,人們可以透過簡單的紙筆計算立即預測這種行為。”
這不是非物理學家花費大量時間思考的問題,但貝羅茲和他的團隊描述了這個現象他們的新論文是現實世界中一直發生的事情,即使人們基本上看不到它。
當雨滴從天空落下並受到暴風雲產生的電場的影響,或暴露於其他來源(例如電線)的電場時,就會發生這種情況。
當這種情況發生時,將水分子以球形形式保持在一起的表面張力會失去對 H 的控制。2O,當電荷在液滴表面積聚時,電場有效地將液滴向外拉。
近年來,此類行為已被利用微流體學研究者操縱和移動液滴有了電場,但科學家仍然沒有簡單的方法來計算穩定極限:水滴在這種電應力下要么保持完整,要么破裂的理論閾值。
由於不同的電場強度而產生不同水滴形狀的印象。 (麻省理工學院)
“在某些時候,如果電場足夠強,液滴就無法找到平衡電力的形狀,”貝羅茲 說,“到那時,它就會變得不穩定並破裂。”
現在看來我們終於明白了。
在實驗中,貝羅茲和他的團隊觀察了分配到帶電金屬板上的水滴的行為,並用高速攝影機拍攝結果。
透過關注電場迫使液滴破裂之前的確切時刻? 並在那一刻觀察其臨界穩定形狀? 研究人員發現穩定性極限受冪律這可以解釋表面(無論是靜止的還是滑動的)或空氣中自由漂浮的液滴的爆發閾值。
研究人員表示,他們發現的冪律公式主要圍繞著液滴的體積和半徑? 而先前的理論方法是根據液滴高度(和半徑)來計算穩定性極限。
“在過去的 100 年裡,慣例是選擇身高,”貝羅茲 說。
「但是當液滴變形時,它的高度會發生變化,因此問題的數學複雜性是高度所固有的。另一方面,無論液滴在電場中如何變形,其體積都保持固定。”
團隊表示,透過新方程,只要知道五個必要參數中的四個即可? 液滴表面張力、電場強度和空氣電介電常數,除了體積和半徑? 您始終可以計算第五個參數,從而計算出穩定性極限。
這是一項期待已久的成就,它可以徹底改變我們在多個科學領域的理論理解,從而帶來靜電紡絲、靜電過濾和破乳等工業過程的潛在進步。
“從理論角度來看,考慮到問題的數學複雜性,這是一個出乎意料的簡單結果,”貝羅茲 說。
研究結果報告於物理評論快報。