Фото эксперимента: капли, "висящие" на гладкой твердой поверхности.

Ученые из США выдвинули предположение, какие именно силы ответственны за «трение» между каплями жидкости и твердыми поверхностями. Поставленная ими серия экспериментов имеет прямое значение для космической программы: в будущем это поможет лучше понять поведение смазочных материалов в условиях невесомости.

Со школьной скамьи известно, что сила, необходимая для того, чтобы двигать тяжелую коробку по горизонтальному полу в комнате, увеличивается при увеличении веса этой коробки. Объяснение этому факту элементарно – сила сухого трения при скольжении двух твердых тел друг относительно друга зависит от их взаимного давления. На микроскопическом уровне больший вес создает большую площадь контакта между дном коробки и поверхностью пола, за счет этого увеличивается сила, необходимая для преодоления этого притяжения.

Казалось бы, то же самое должно быть верно и для капли жидкости на твердой поверхности. Однако, последние исследования, опубликованные в Physical Review Letters, показывают, что это не совсем так.

Для жидкости нельзя использовать понятия теории сухого трения. Отсутствие движения капли по плоской поверхности связано уже не с молекулярными силами, а с поверхностным натяжением, поэтому роль веса капли играет не столь большую роль. Ранее уже предпринимались попытки исследовать этот феномен с использованием разнообразных наклонных плоскостей. Постепенно увеличивающийся наклон применялся для того, чтобы зафиксировать момент, когда капля начнет двигаться. Однако, в данном случае менялось сразу два параметра (а именно, проекции силы тяжести на составляющие, параллельную и перпендикулярную поверхности); и ими невозможно было управлять по отдельности.

В качестве альтернативного метода для перемещения капли использовалась центробежная сила. Но и в этом случае первые эксперименты не дали результатов, т.к. были сложности с контролем положения капли в режиме реального времени.

Продолжая исследования в этом направлении, группа ученых из Lamar University (Техас, США) разместила на подложке рядом с исследуемой каплей небольшую беспроводную видео-камеру. Вся эта система была установлена на конце метрового вращающегося манипулятора. В поставленной серии экспериментов целях использовалась достаточно вязкая жидкость (несколько микролитров масла) на относительно гладкой поверхности (тефлон).

Исследовательская установка раскручивалась, при этом фиксировалась угловая скорость вращения в момент начала движения капли. Наклоняя поверхность или переворачивая ее вверх ногами, а также варьируя скорость вращения, ученые имели возможность изменять проекцию силы тяжести капли на перпендикуляр к поверхности (грубо говоря, варьировать эффективный вес этой капли).

Точные измерения показали, что миллиметровая капля, висящая под некой плоской поверхностью (вверх ногами), требует приложения большей силы для перемещения, нежели капля, лежащая на такой же поверхности сверху. Причем разница в данных условиях составила порядка 27%.

Ученые предполагают, что такое поведение может быть объяснено слабыми химическими связями молекул жидкости и «приграничных» молекул твердой поверхности. В случае капли, подвешенной «вверх тормашками», ее особая форма у основания (обусловленная поверхностным натяжением) переориентирует молекулы жидкости таким образом, что химические связи становятся сильнее. Таким образом, сила тяжести косвенным образом помогает капле крепиться к «потолку».

Результат исследований поможет ученым наконец-то определить, какие именно силы ответственны за крепление капель жидкости к тем или иным поверхностям. Такая, казалось бы, элементарная задача на самом деле имеет прямое практическое применение. Исследование основ трения между жидкостью и твердой поверхностью ведет к лучшему пониманию поведения смазочных материалов в невесомости, а также свойств более сложных структур.