Физика капель: как математическое моделирование помогает создавать лучшую спортивную одежду и дождевики

Новое исследование в журнале Nature Physics раскрывает физику жидких капель — и хотя не все оценят математическое достижение, оно улучшит спортивную одежду и дождевики. Статья «Tricky Tension» исследует пересечение физики и текстиля: как смачивание зависит от структуры крошечных капель. Об этом сообщает издание Phys.org.

В физике сила сцепления между двумя фазами называется поверхностным натяжением. Оно позволяет насекомым ходить по воде. В трёхфазной системе — газ, жидкость и твёрдое тело — есть менее изученное явление: линейное натяжение капли. Это сила на границе, где встречаются капля, воздух и твёрдая поверхность. Понимание механики капель на твёрдых поверхностях (так называемых сидячих капель) важно для изучения смачивания и высыхания текстиля, особенно для очень маленьких капель.

«Чтобы понять, что происходит с текстилем, нужно лучше разобраться в физике взаимодействия всех трёх фаз», — говорит Уоррен Джаспер, автор статьи и профессор Колледжа текстиля Уилсона при Университете штата Северная Каролина. «Когда вы потеете, спортивная одежда впитывает пот, отводит его, а затем пот испаряется. Взаимодействие жидкостей, паров и твёрдых тел здесь ключевое. С другой стороны, в защитной экипировке, используемой с токсичными материалами, нужно обратное — чтобы жидкость не проникала в ткань. Нужно сохранять сидячую каплю и не дать ей смочить поверхность».

То же относится к дождевикам: они должны отталкивать воду, а не впитывать. Создание лучшего дождевика требует понимания геометрии капли на твёрдой поверхности ткани. Здесь математическое моделирование встречается с экспериментом. Джаспер строит модели для правильного предсказания знака и величины линейного натяжения капли. «Без точной модели вы не понимаете, как на самом деле работает капля. Вы можете наблюдать её поведение на разных поверхностях, но упускаете „почему“. В конечном счёте это ведёт к практическим приложениям: лучший дождевик или более энергоэффективный процесс окрашивания. Но без понимания основ, если основы не могут предсказать наблюдаемое, вы в тупике. Важно продолжать прорывы в этой области».

Обзорная статья Джаспера фиксирует как текущее понимание этого физического явления, так и то, что остаётся загадкой. «Предоставляя обзор того, что мы, как нам кажется, знаем, и описывая, как новые инструменты и методы помогут ответить на нерешённые вопросы, я надеюсь, что эта статья проложит путь для дальнейших исследований — которые кажутся простыми, но продолжают удивлять».