Замедленное видео кипящего льда, исследовательский проект Лаборатории вдохновленных природой жидкостей и интерфейсов Технологического института Вирджинии.
Капните несколько капель воды на очень горячую шипящую сковороду, и они будут парить в воздухе, скользя по сковороде с дикой энергией. Согласно новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Fluids, физики из Технологического института Вирджинии обнаружили, что этого можно добиться, поместив тонкий плоский диск льда на нагретую алюминиевую поверхность. Загвоздка: существует гораздо более высокая критическая температура, которая должна быть достигнута, прежде чем ледяной диск поднимется в воздух.
Как мы сообщали ранее, в 1756 году немецкий ученый по имени Иоганн Готтлоб Лейденфрост сообщил о своем наблюдении необычного явления. Обычно, отметил он, вода, выплеснутая на очень горячую сковороду, шипит и очень быстро испаряется. Но если температура кастрюли намного выше точки кипения воды, образуются «блестящие капли, напоминающие ртуть», которые будут скользить по поверхности. В его честь это назвали «эффектом Лейденфроста».
В последующие 250 лет физики придумали жизнеспособное объяснение того, почему это происходит. Если температура поверхности составляет не менее 400 градусов по Фаренгейту (значительно выше точки кипения воды), под ними образуются подушки из водяного пара или пара, удерживающие их в левитации. Эффект Лейденфроста работает и с другими жидкостями, включая масла и спирт, но температура, при которой он проявляется, будет другой.
Это явление продолжает очаровывать физиков. Например, в 2018 году французские физики обнаружили, что капли не просто движутся на паровой подушке; пока они не слишком большие, они также двигаются сами по себе. Это происходит из-за дисбаланса потока жидкости внутри капель Лейденфроста, действующих как небольшой внутренний двигатель. Большие капли демонстрировали сбалансированный поток, но по мере того, как капли испарялись, становясь меньше (около полмиллиметра в диаметре) и более сферическими, развивался дисбаланс сил. Это заставляло капли катиться, как колесо, чему способствовал своего рода эффект «храповика» из-за наклона вниз в том же направлении, в котором текла жидкость в капле. Французские физики назвали свое открытие «колесом Лейденфроста».
В 2019 году международная группа ученых наконец определила источник сопровождающего треск звука, сообщил Лейденфрост. Ученые выяснили, что это зависит от размера капли. Меньшие капли скатываются с поверхности и испаряются, а большие капли взрываются с характерным треском. Виновником являются загрязняющие частицы, присутствующие практически в любой жидкости. Капли большего размера начинаются с более высокой концентрации загрязняющих веществ, и эта концентрация увеличивается по мере того, как капли сжимаются. Они получаются с такой высокой концентрацией, что частицы медленно образуют своеобразную оболочку вокруг капли. Эта оболочка мешает паровой подушке, удерживающей каплю в воздухе, и она взрывается при ударе о поверхность.
А в прошлом году ученые Массачусетского технологического института определили, почему капли движутся по нагретой маслянистой поверхности в 100 раз быстрее, чем по голому металлу. При правильных условиях снаружи каждой капли образовывалось тонкое покрытие, похожее на плащ. По мере того как капля нагревалась, между каплей и маслом начали образовываться крохотные пузырьки водяного пара, которые затем удалялись. Последующие пузырьки, как правило, образовывались рядом с теми же точками, образуя единую паровую дорожку, которая толкала каплю в предпочтительном направлении.
Но можно ли добиться эффекта Лейденфроста со льдом? Именно это и намеревалась выяснить команда Технологического института Вирджинии. «Есть так много статей о левитации жидкости, что мы хотели задать вопрос о левитации льда», — сказал соавтор Джонатан Борейко. «Это началось как любопытный проект. В основе нашего исследования лежал вопрос о возможности трехфазного эффекта Лейденфроста с твердым телом, жидкостью и паром».
