Verschijnselen met oppervlaktespanning zijn uiterst complex en hebben toepassingen in ons dagelijks leven, en OIST-onderzoekers pakken de gecompliceerde wiskunde achter de natuurkunde aan.

De effecten van oppervlaktespanning zijn van cruciaal belang bij veel alledaagse verschijnselen:het zorgt ervoor dat kleine regendruppels aan uw ramen blijven kleven, creëert bubbels wanneer u wasmiddel in uw gootsteen doet, en stuwt waterschrijdende insecten op het oppervlak van vijvers. Het wekt zelfs de "wijntranen" op, een ring van heldere vloeistof nabij de bovenkant van de binnenrand van een glas wijn waaruit zich continu druppeltjes vormen en terugvallen in de wijn eronder. Echter, ondanks zijn alomtegenwoordigheid en lange geschiedenis van wetenschappelijke waarnemingen, oppervlaktespanning - en de interactie van vloeistoffen met verschillende oppervlaktespanningen - is nog niet volledig begrepen. Geconfronteerd met de complexiteit van het probleem, vereenvoudigde modellen worden al tientallen jaren gebruikt. Maar nu, OIST-onderzoekers hebben een nieuwe stap gezet in de richting van een vollediger begrip, gerapporteerd in de Journal of Fluid Mechanics , door een ingewikkelde eigenschap van oppervlaktespanning aan te pakken. De uitkomst laat zien dat een veelgebruikte benadering verrassend nauwkeurige resultaten oplevert, ondanks de complexiteit van het probleem.

Het werk is een voortzetting van eerdere studies waarin OIST-wetenschappers de beweging van acetondruppels bestudeerden die werden voortgestuwd door oppervlaktespanning, glijden over het wateroppervlak.

"Omdat het fenomeen zo ingewikkeld is, Ik dacht aan het eenvoudigste systeem dat nog niet is onderzocht, proberen de krachten te raden die op de druppel worden uitgeoefend waardoor deze zou bewegen, " legt Dr. Stoffel Janssens uit. "Dit is een kleine stap om volledig te begrijpen hoe een druppel vloeistof op water beweegt als gevolg van oppervlaktespanning."

De onderzoekers in de wiskunde, Mechanica, en Materials Unit onder leiding van Prof. Eliot Fried ontwierp een eenvoudig apparaat in de vorm van een rechthoekig vat gevuld met water, waarin een stilstaande cilinder gedeeltelijk is ondergedompeld. Een oppervlakteactieve stof - een organisch molecuul dat de oppervlaktespanning verlaagt - wordt aan één kant van de cilinder op het wateroppervlak aangebracht, waarmee de wetenschappers de profielen van de oppervlakteactieve stofvrije en de met oppervlakteactieve stoffen beladen delen van het wateroppervlak kunnen meten. Deze metingen hielpen de wetenschappers om een ​​theoretisch model te bouwen dat wordt gebruikt om de krachten te bepalen die op de cilinder werken.

De essentie van de complexiteit ligt bij de geometrie:het wateroppervlak buigt naar de cilinder toe en de kromming is direct afhankelijk van de oppervlaktespanning. Met een oppervlakteactieve stof aan één kant van de cilinder, de wateroppervlakprofielen aan weerszijden van de cilinder zijn asymmetrisch door de verschillende krommingen, wat het berekenen van de krachten op de cilinder wiskundig ingewikkelder maakt. Tot nu, een vereenvoudigd model negeerde deze curven in de veronderstelling dat het wateroppervlak aan beide zijden van de cilinder volledig vlak blijft.

De wetenschappers beschreven het probleem met drie onafhankelijke benaderingen:ze berekenden eerst numeriek de mechanische krachten die op de cilinder werden uitgeoefend, waarbij de hulp van een computer nodig is om oplossingen te bieden voor de complexe vergelijkingen. Geïnspireerd door de numerieke resultaten, ze stapten over op een analytische methode, ook wel de "pen en papier"-methode genoemd, om het model te bevestigen.

"Met de numerieke methode, u moet het algoritme van invoerwaarden voorzien, dus in zekere zin los je de vergelijkingen op voor zeer specifieke gevallen, " merkte prof. Fried op. "Je kunt een idee krijgen van wat er aan de hand is, maar je kunt geen algemeen bewijs leveren. Als je het analytisch met pen en papier doet, zonder bepaalde numerieke waarden te hebben gekozen, dan heb je iets dat algemeen geldt."

De onderzoekers analyseerden het probleem uiteindelijk met behulp van een derde onafhankelijke benadering gebaseerd op energie in plaats van mechanische krachten.

Alle drie de methoden leiden tot hetzelfde onverwachte resultaat:we kunnen de kromming van het water-lucht-interface veilig negeren, aangezien de berekende krachten gelijk zijn aan die verkregen door het vereenvoudigde model, waar het wateroppervlak als vlak wordt beschouwd.

"We konden de mogelijkheid niet uitsluiten dat het negeren van de kromming van de water-luchtinterface zou leiden tot onaanvaardbare fouten, " merkte Dr. Janssens op. "Verrassend genoeg echter, het blijkt dat het vereenvoudigde model dat decennialang werd gebruikt zeer nauwkeurig is!"

Naast het oplossen van een ingewikkeld probleem, de uitkomst van dit onderzoek geeft meer vertrouwen in metingen zoals de Langmuir-balans die de afgelopen eeuw is gebruikt. Bovendien, dit is de eerste stap naar het begrijpen van het complexe fenomeen van een acetondruppel die op water glijdt vanwege oppervlaktespanning.

"Dit werk kan worden gezien als een reductionistische benadering, waar we een stap terug hebben gedaan van dat zeer gecompliceerde fenomeen en proberen het stuk voor stuk op te lossen vanuit de meest elementaire kenmerken, " concludeerde prof. Fried. "Nu kunnen we verder gaan met een wat uitdagender probleem, bijvoorbeeld waar de cilinder op de vloeistof mag glijden."