CC BY
4МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
РЕЗОНАНСНОЕ СТРУКТУРИРОВАНИЕ КАПЕЛЬ ВОДЫ НА ГОФРИРОВАННОЙ ТЕРМОПОДЛОЖКЕ КАК ИНДИКАТОР ЕЁ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Морозова Г.И., Рыбаков Ю.П.
Российский университет дружбы народов им. П. Лумумбы, ул.Миклухо-Маклая, 6,
Москва, 117198, РФ E-mail: [email protected]
Данная работа была инициирована в связи с обнаруженными ранее эффектами устойчивых колебаний воды в центре гофрированной термоподложки (ГТП), которые сопряжены с эффектом Лейденфро-ста - левитацией капель на паровой подушке при температурах 200° С -350° С [1-3]. Были обнаружены резкие выбросы струй пара при переходе краев капли на горячие выступы гофры, которые вызывают колебания всей капли в виде пульсирующей «звезды», концы которой движутся радиально внутрь и наружу [1]. Исследование подобных капельных эффектов различных жидкостей актуально в настоящее время в связи с проблемой бесконтактного определения физико-химических свойств жидкостей малого объема и примесей в воде. В то же время вопросы устойчивости вращающихся капель играют важную роль в задачах химических и космических технологий. Целью данной работы является изучение этапов и механизмов волнового структурирования капли воды в центральной зоне ГТП в различных условиях, а также выявление соответствия между физико-химическими свойствами капли и динамикой ее волновой конфигурации в резонансе. Исследования проводили на чистой электро-плите отечественного производства при температурах 270° С и 310° С. Небольшое количество каждой пробы воды помещали пипеткой в центральное углубление термо-подложки и наблюдали периодический процесс возбуждения капли; процесс снимался на видеокамеру.
В ходе экспериментов установлено, что процесс периодического изменения состояния капли на ГТП имеет 4 стадии: а) стационарную: отсутствие макроколебаний капли, б) возбуждение поверхностных волн (ряби), в) резонанс - возникновение устойчивой волновой структуры капли, г) разрушение волновой структуры за счет изменения диаметра капли при её испарении и уплотнении, затем эти стадии повторяются с другими интервалами времени. Наблюдения и анализ видеоизображений таких капель показали, что причиной их резонансного структурирования является не только возбуждение радиальных волн типа биений, но и интерференция волн по периметру капли с образованием устойчивой системы стоячих волн. Такая капля вращается как связная солитоно-подобная структура. Установлено, что характер вращения возбужденной капли зависит от ее исходного физического состояния (например, после электромагнитной обработки воды ее вращение ускоряется) и от присутствия определенных микропримесей. Оценены периоды резонансных мод и длины волн в образцах воды, содержащие соль или органические полимеры. Важным результатом этих экспериментов является обнаружение прямой связи между кратностью числа полуволн n (моды) возбужденной капли и типом примеси. Так, капля дистиллированной воды (ДВ) при резонансе имеет моду n = 4. После добавления в физиологический раствор (ФР) микродоз ДНК (из препарата куриных эмбрионов) или плазмы крови резонансный режим в каплях ФР с модой n = 6 меняется на моду с n = 5 (ДНК). В соответствии с теорией [3-4] форма и характер колебаний капли зависят от свойств жидкого образца: коэффициента поверхностного натяжения, а также плотности, которые изменяются при наличии некоторых микропримесей. Таким образом, особенности резонансного структурирования капли могут служить наглядным индикатором изменения физических свойств воды и наличия в ней органических молекул.
[1] T. Singla, and M. Rivera The Sounds of Levitating Water Droplets. Physics, vol. 13, p.148 (2020).
[2] G. Lagubeau, M. Le Merrer, Ch. Clanet, D. Quere. Leidenfrost on a ratchet. Nature Physics, vol.7, pp. 395-398 (2011).
[3] В.А. Саранин. Равновесие жидкостей и его устойчивость ( Москва, Ин-т комп. исследований), глава 1(2002).
[4] Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика, том 6, Гидродинамика (Москва, Наука), глава 7 (1986).
