Als een enkele regendruppel op de grond valt, het kan weer opspatten in een kroonachtig vel, kleine druppeltjes van de rand sproeien voordat ze weer naar de oppervlakte zinken - allemaal in een oogwenk.

Nu hebben onderzoekers van MIT een manier gevonden om de dikte van de rand van een druppel te volgen terwijl deze van verschillende oppervlakken opspat. Deze ongelooflijk specifieke meting, ze zeggen, is de sleutel tot het voorspellen van het aantal, maat, en snelheid van kleinere druppeltjes die uit de velg kunnen worden geworpen, in de lucht.

Lydia Bourouiba, assistent-professor civiele en milieutechniek en directeur van het Fluid Dynamics of Disease Transmission Laboratory aan het MIT, zegt dat de resultaten van de groep kunnen worden gebruikt om de fysica van sprays te modelleren, zoals pesticiden die terugspatten uit de bladeren van de gewassen, of regendruppels die ziekten kunnen oppikken en verspreiden als ze van besmette oppervlakken afketsen.

"Ons fundamentele onderzoek heeft tot doel de sproeifysica te begrijpen, en identificeer de belangrijkste ingrediënten die sprays beheersen, of men secundaire druppeltjes wil minimaliseren die ongewenst zijn, of verbeter sprays om een ​​oppervlak homogeen te coaten, " zegt Bourouiba. "Om dat allemaal te doen, men moet weten hoe de vloeistof uiteenvalt."

Bourouiba en haar studenten hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Haar co-auteurs zijn afgestudeerde studenten Yongji Wang, Raj Dandekar, Nicole Bustos, en Stephane Poulain.

Vooruit duwen

De afgelopen jaren, De groep van Bourouiba heeft algoritmen voor beeldanalyse ontwikkeld om automatisch bepaalde kenmerken te extraheren en te meten in high-speed video's van processen voor het uiteenvallen van vloeistoffen. State-of-the-art high-speed camera's kunnen voor het grootste deel vastleggen, in slow motion, de evolutie van een spattende druppel - een proces dat ongeveer enkele milliseconden duurt, gedurende welke tijd, duizenden kleinere druppeltjes kunnen in de lucht worden uitgestoten.

Wetenschappers hebben zulke snelle video's gebruikt om de grootte van uitgeworpen druppels te meten, de dikte van de uitzettende rand, en andere splash-functies, grotendeels met de hand.

"Omdat al deze kenmerken in korte tijd constant veranderen, het extraheren van hoge nauwkeurigheid, onbevooroordeelde metingen in de gegevens is best lastig, ", zegt Bourouiba. "Klassieke algoritmen zijn niet in staat om al deze details vast te leggen."

In tegenstelling tot, de algoritmen van haar team kunnen automatisch de rand van een spattende druppel onderscheiden en deze onderscheiden van de kleinere druppeltjes die uit de rand spuiten, en de ligamenten die zich rond de rand vormen. Zodra de algoritmen de beeldgegevens hebben verwerkt, de onderzoekers kunnen de rand duidelijk scheiden van de rest van de kenmerken van de druppel, en extraheer de grootte, op elk moment tijdens het spatproces.

Het team zette meerdere experimenten op om te zien of ze een gemeenschappelijke trend konden detecteren in de manier waarop de rand van een druppel evolueert terwijl deze op een oppervlak spat. De onderzoekers testten ongeveer 15 vloeistoffen met verschillende viscositeit en visco-elasticiteit, of draderigheid. Ze lieten enkele druppels van elke vloeistof los uit een zeer nauwkeurige "druppeltoren", " een opstelling die de grootte van de vrijgekomen druppel heel precies kan manipuleren, de oriëntatie van het onderliggende oppervlak, en de lichtomstandigheden waarin de druppel moet worden opgenomen met behulp van hogesnelheidscamera's.

Het team liet elke druppel op verschillende oppervlakken los, inclusief een plas water, de rand van een oppervlak, oppervlakken van verschillende ruwheden, oppervlakken bedekt met een dunne vloeistoffilm, en kleine oppervlakken van vergelijkbare grootte als die van de druppel, namelijk staven.

Nadat ze de algoritmen hadden verfijnd om elke druppelvideo automatisch te analyseren, ze begonnen een patroon op te merken in de manier waarop de rand van een druppel in de loop van de tijd evolueerde. De rand is meestal niet glad, maar vertoont rimpelingen en uitstulpingen. De onderzoekers toonden aan dat het ogenblikkelijk ontstaan ​​van deze rimpelingen langs de velg onafhankelijk is van versnelling en in plaats daarvan voornamelijk wordt bepaald door de geometrie van de velg. Echter, de dikte van de velg is gerelateerd aan de versnelling van de velg als deze uitzet in de lucht. Hoe groter de velgversnelling, hoe dunner de rand, en de meer snel bewegende druppeltjes laten los als ze uitzetten.

Met andere woorden, het is de versnelling van de velg die bepaalt hoeveel vloeistof er in de velg achterblijft en hoeveel vloeistof uit de velg de lucht in wordt geduwd, uiteindelijk in de vorm van druppels.

"Het is alsof je in een auto zit die plotseling vertraagt, ", zegt Bourouiba. "De vertraging van het referentieframe van de auto introduceert een fictieve kracht die iemand naar voren duwt. Het is hetzelfde als wat een vloeibaar volume voelt als de hele plaat vertraagt."

Een belangrijk inzicht dat de onderzoekers hadden, is dat de verandering van versnelling in de tijd van belang is. Als een rimpel groter wordt dan zijn buren om een ​​uitstulping te worden, de onmiddellijke virtuele kracht die het voelt, gegeven de onmiddellijke vertraging, duwt het uiteindelijk meer naar voren dan zijn buren, resulterend in zijn verlenging en uiteindelijke loslating in de vorm van een druppel.

Een band opbouwen

Uit hun experimentele waarnemingen, het team bedacht een eenvoudige vergelijking om de dikte van de rand van een druppel te voorspellen, gezien de versnelling, op elk punt langs de rand en op elk moment tijdens het spatproces. De vergelijking is gebaseerd op wat bekend staat als een Bond-getal - een niet-dimensionaal getal dat doorgaans wordt gebruikt om zwaartekrachten te vergelijken met traagheidskrachten.

"Als dit aantal erg groot is, zwaartekracht domineert, zoals voor een grote plas water die plat zal worden omdat de zwaartekracht het naar beneden trekt, " zegt Bourouiba. "Voor een klein druppeltje, het is niet plat, maar bolvormig, omdat oppervlaktespanning domineert. Als het Obligatienummer gelijk is aan 1, de twee krachten zijn in evenwicht."

Met hun nieuwe vergelijking, de onderzoekers verwisselden de zwaartekracht voor onmiddellijke versnelling van de rand, en gebruikte de vergelijking om het obligatienummer te berekenen - in wezen, de verhouding tussen de door de versnelling veroorzaakte krachten van de velg en de oppervlaktespanning - op elk punt langs de velg op elk moment. Hoe hoger het obligatienummer, hoe meer versnelling domineert op een bepaald punt langs de velg, en hoe groter de kans dat die locatie uiteenvalt en een kleinere druppel in de lucht afgeeft. Hoe kleiner het Bond-nummer, des te meer oppervlaktespanning domineert en zorgt ervoor dat de velg intact blijft.

Het team ontdekte dat voor onstabiele velgen, het Obligatienummer zoals zij het hebben gedefinieerd, blijft altijd gelijk aan één, wat leidt tot een zeer vereenvoudigd theoretisch model van de velgdikte, ondanks de complexiteit van dit proces dat continu verandert in de tijd.

Het team ontdekte dat de theorie stand houdt bij verschillende viscositeiten, inclusief vloeistoffen zo dun als water, en zo dik als plasma of melk. Het kan ook voorspellen hoe de velg evolueert als een druppel op verschillende oppervlakken spat, met verschillende geometrieën.

"De theorie is niet alleen universeel voor [oppervlakte] configuraties, maar kan blijven vasthouden aan een grote familie van industriële en biologische vloeistoffen, bijvoorbeeld, ' zegt Bourouiba.

Eerder, wetenschappers hadden alleen een theorie kunnen bedenken om de dikte van een velg te voorspellen in "stabiele" configuraties, zoals een continue stroom water die met een constante snelheid uit een kraan stroomt. Een dergelijke situatie wordt als stabiel beschouwd, omdat het een laagje water zou produceren dat van het oppervlak opspat, met een velgmaat en andere eigenschappen die in de loop van de tijd niet zouden veranderen.

"Maar alle effecten van druppels, van regendruppels, decontaminatie of het sproeien van pesticiden, of andere fragmentatieprocessen zoals niezen, zijn in feite onstabiel, een aspect van het probleem dat niet eerder is aangepakt, " zegt Bourouiba. "We hebben aangetoond dat deze nieuwe theorie geldt voor een brede klasse van problemen die onstabiel zijn."

"De uitgestoten minuscule druppeltjes kunnen heel ver weg transporteren van de plaats waar de impact plaatsvindt, bijvoorbeeld, ziekteverwekkers, of andere soorten organismen of moleculen, " zegt José Manuel Gordillo, hoogleraar vloeistofmechanica aan de Universiteit van Sevilla in Spanje. "Ik geloof dat deze bevindingen niet alleen zullen helpen bij het basisbegrip van onstabiele fragmentatie van velgen in het natuurlijke proces, maar ook in toepassingen gerelateerde, bijvoorbeeld, met bedrukking."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.