Vysokorychlostní videa odhalují, co se děje, když kapka dopadne do kaluže

Déšť může padat rychlostí až 40 km/h. Pokud kapky dopadnou do kaluže nebo rybníka, mohou vytvořit korunovitý rozstřik, který při dostatečné síle může uvolnit povrchové částice a vynést je do vzduchu.

Vědci z MIT nyní pořídili vysokorychlostní videa kapek dopadajících do hluboké kaluže, aby sledovali vývoj kapaliny nad i pod hladinou, snímek po milisekundě. Jejich práce by mohla pomoci předpovědět, jak dopadající kapky, například z dešťových srážek a zavlažovacích systémů, mohou ovlivňovat vodní povrchy a aerosolizovat povrchové částice, jako je pyl na kalužích nebo pesticidy v zemědělském odtoku.

Tým provedl experimenty, při kterých dávkoval vodní kapky různých velikostí a z různých výšek do kaluže vody. Pomocí vysokorychlostního snímání měřili, jak se kapalinový bazén deformoval, když dopadající kapka zasáhla povrch bazénu.

Ve všech svých experimentech pozorovali společný vývoj rozstřiku: Když kapka dopadla do bazénu, zatlačila se pod povrch a vytvořila „kráter“ nebo dutinu. Téměř současně se nad povrchem zvedla stěna kapaliny, která vytvořila korunu. Je zajímavé, že tým pozoroval, že malé sekundární kapky byly vyvrženy z koruny dříve, než koruna dosáhla své maximální výšky. Celý tento vývoj probíhá za zlomek sekundy.

Vědci v minulosti zachytili snímky rozstřiku kapek, například slavný „Milk Drop Coronet“ – fotografii kapky mléka v rozstřiku, pořízenou zesnulým profesorem MIT Haroldem „Docem“ Edgertonem, který vynalezl fotografickou techniku ​​pro zachycení rychle se pohybujících objektů.

Nová práce představuje poprvé, kdy vědci použili takové vysokorychlostní snímky k modelování celé dynamiky rozstřiku kapky v hlubokém bazénu, kombinující to, co se děje nad i pod povrchem. Tým použil snímkování k získání nových dat, které jsou klíčové pro vytvoření matematického modelu, který předpovídá, jak se tvar kapky bude měnit a slučovat, když zasáhne povrch bazénu. Plánují použít model jako základnu k prozkoumání, do jaké míry může rozstřikující se kapka vytáhnout a vypustit částice z vodního bazénu.

„Dopady kapek na kapalné vrstvy jsou všudypřítomné,“ říká autorka studie Lydia Bourouiba, profesorka na katedře stavebního a environmentálního inženýrství a strojírenství MIT a hlavní členka Institutu pro lékařské inženýrství a vědu (IMES). „Takové dopady mohou produkovat nespočet sekundárních kapek, které by mohly působit jako nosiče patogenů, částic nebo mikrobů, které se nacházejí na povrchu zasažených bazénů nebo kontaminovaných vodních ploch. Tato práce je klíčová pro umožnění predikce rozložení velikosti kapek a potenciálně také toho, co by takové kapky mohly nést s sebou.“

Bourouiba a její mentoři publikovali své výsledky v časopise Journal of Fluid Mechanics. Mezi spoluautory z MIT patří bývalý postgraduální student Raj Dandekar PhD '22, postdoktorand (Eric) Naijian Shen a student Boris Naar.

Nad a pod

Na MIT vede Bourouiba Laboratoř dynamiky tekutin přenosu nemocí, která je součástí sítě Fluids and Health Network, kde ona a její tým zkoumají základní fyziku tekutin a kapek v řadě environmentálních, energetických a zdravotních kontextů, včetně přenosu nemocí. Pro svou novou studii se tým zaměřil na lepší pochopení toho, jak kapky dopadají na hluboký bazén – zdánlivě jednoduchý jev, který je přesto obtížné přesně zachytit a charakterizovat.

Bourouiba poznamenává, že v posledních letech došlo k průlomům v modelování vývoje rozstřikující se kapky pod povrchem bazénu. Když kapka zasáhne vodní plochu, prorazí povrch a vtáhne vzduch do bazénu, čímž vytvoří krátkodobý kráter. Až dosud se vědci zaměřovali na vývoj této podvodní dutiny, především pro použití při získávání energie. To, co se děje nad vodou a jak se korunovitý tvar kapky vyvíjí s dutinou pod ní, zůstávalo méně pochopeno.

„Popis a pochopení toho, co se děje pod a nad povrchem, zůstávala velmi oddělená,“ říká Bourouiba, která věří, že takové pochopení může pomoci předpovědět, jak kapky uvolňují a šíří chemikálie, částice a mikroby do vzduchu.

Rozstřik v 3D

Ke studiu spojené dynamiky mezi dutinou a korunou kapky tým zřídil experiment, aby dávkoval vodní kapky do hlubokého bazénu. Pro účely své studie výzkumníci považovali hluboký bazén za vodní plochu, která je dostatečně hluboká, aby rozstřikující se kapka zůstala daleko od dna bazénu. V těchto podmínkách zjistili, že bazén s hloubkou nejméně 20 centimetrů byl pro jejich experimenty dostatečný.

Měnili velikost každé kapky s průměrným průměrem asi 5 milimetrů. Také dávkovali kapky z různých výšek, což způsobilo, že kapky zasáhly povrch bazénu různými rychlostmi, které v průměru činily asi 5 metrů za sekundu. Celková dynamika, říká Bourouiba, by měla být podobná tomu, co se děje na povrchu kaluže nebo rybníka během průměrné bouřky.

„To zachycuje rychlost, jakou padají dešťové kapky,“ říká. „Nejednalo by se o velmi malé, mlhavé kapky. To by byly dešťové kapky, pro které člověk potřebuje deštník.“

Pomocí vysokorychlostních zobrazovacích technik inspirovaných průkopnickou fotografií Edgertona tým pořídil videa rozstřikujících se kapek do bazénu s frekvencí až 12 500 snímků za sekundu. Poté použili interní metody zpracování obrazu k extrakci klíčových měření z obrazových sekvencí, jako je měnící se šířka a hloubka podvodní dutiny a vyvíjející se průměr a výška stoupající koruny. Výzkumníci také zachytili obzvláště obtížná měření profilu tloušťky stěny koruny a vnitřního toku – válce, který se zvedá z bazénu, těsně předtím, než vytvoří okraj a body, které jsou charakteristické pro korunu.

„Tato válcovitá stěna stoupající kapaliny a to, jak se vyvíjí v čase a prostoru, je v jádru všeho,“ říká Bourouiba. „Spojuje kapalinu z bazénu s tím, co se dostane do okraje a pak bude vyvrženo do vzduchu prostřednictvím menších sekundárních kapek.“

Výzkumníci zpracovali data obrazu do souboru „evolučních rovnic“ nebo matematického modelu, který vztahuje různé vlastnosti dopadající kapky, jako je šířka její dutiny a profily tloušťky a rychlosti její stěny koruny, a jak se tyto vlastnosti mění v čase, vzhledem k počáteční velikosti kapky a rychlosti dopadu.

„Nyní máme uzavřený matematický výraz, který mohou lidé použít k vidění, jak se všechny tyto veličiny rozstřikující se kapky mění v prostoru a čase,“ říká spoluautor Shen, který s Bourouibou plánuje aplikovat nový model na chování sekundárních kapek a pochopení toho, jak se rozstřik nakonec rozptýlí částice, jako jsou patogeny a pesticidy. „To otevírá možnost studovat všechny tyto problémy rozstřiku v 3D, s uzavřenými rovnicemi, což předtím nebylo možné.“

Tento výzkum byl částečně podpořen Ministerstvem zemědělství – Národním institutem pro výzkum potravin a zemědělství; Nadací rodiny Richarda a Susan Smithových; Národní vědeckou nadací; Centrami pro kontrolu a prevenci nemocí – Národním institutem pro bezpečnost a ochranu zdraví při práci; Inditexem; a Národním institutem pro alergie a infekční choroby Národních ústavů zdraví.