Юный техник, 2012 № 10

Г. МАЛЬЦЕВ, научный обозреватель «ЮТ»

КОЛЛЕКЦИЯ ЭРУДИТА

«Забор» для землетрясения

Доктор Уильям Парнелл из университета Манчестера разрабатывает теорию, которая позволит защитить здания от землетрясений, сообщает журнал Proceedings of the Royal Society. Ученый математически доказал, как можно заставить сейсмические волны обходить охраняемые объекты стороной. Для этого нужно зарыть в землю по периметру сооружения специальные щиты из отражающих волны материалов.

В своем выступлении на слушаниях Королевского общества (Британской академии наук. — Ред.) Парнелл так описал принцип действия такой системы. «Ее основу составляют особые нелинейные неогуковские эластомерные материалы, — сообщил ученый. — Они отличаются от обычных нелинейной зависимостью между механическим напряжением и деформацией, то есть под нагрузкой не происходит разрыв материала, поскольку резиновые элементы сильно спрессованы».

Говоря проще, барьер из полимеров выполняет роль своеобразного волнолома, защищающего причал от морского шторма.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ

Сила капель

Началось все с того, что несколько лет тому назад профессор Осман Базеран из Университета Пардью, штат Индиана, США, вдруг заинтересовался каплями, падавшими из неисправного крана.

Оказалось, что интервалы между каплями меняются, причем никто не в состоянии предсказать, когда именно упадет следующая капля.

«А теперь мы можем предсказать поведение сотен падающих друг за дружкой капель, — с гордостью заявил профессор, потративший немало времени на исследования. — Ранее же поведение воды можно было рассчитать, только когда ее струя ограничена какими-то «рамками»: например, когда она бежит по трубе. И нам пришлось проделать тысячи экспериментов, чтобы понять, по каким законам капли воды стекают из крана, что определяет их ритм…»

В своей работе Осман Базеран оттолкнулся от наблюдения, которое сделал Джен Эггер из Чикагского университета: капля, зависшая на кончике крана, как бы связана тонкой нитью со следующей. Но вот капля падает, нить рвется и скрывается внутри крана. Это навело Эггера на следующую идею: он сравнил каплю воды с грузом, подвешенным на резинке. Если вес груза увеличивается, как и вес капли, то резинка истончается, растягиваясь, и в конце концов разорвется, а конец ее подпрыгнет вверх. Этот процесс уже можно рассчитать. Эггер описал поведение растягиваемой резинки с помощью уравнения. Оказалось, что результаты, полученные Эггером, довольно точно отражают поведение капель воды.

Базеран усовершенствовал модель Эггера, описав еще и то, что происходит внутри самой капли. Ученый словно бы разъял ее на множество частей, чтобы понять, как отдельные группы молекул перемещаются внутри. При этом он сумел выяснить, что происходит после того, как водяная нить разорвется.

Компьютерная модель показала: как только капля срывается вниз, то нить, на которой она висела, сперва сама скручивается в крохотную капельку-сателлит. С ее поверхности тут же срываются мельчайшие частички воды — субсателлиты; они всплывают из глубины этой капельки, как мяч из воды (см. рис).

Оказалось, что эти исследования весьма полезны на практике. Так, именно из-за появления капель-субсателлитов многие струйные принтеры оставляют не совсем четкий оттиск. Теперь, зная, что за микроскопические процессы протекают внутри каждой капли, можно изготовить струйный принтер, работающий так же четко, как лазерный.

Следующий шаг сделали европейские коллеги американского профессора. При анализе работы того же струйного принтера им удалось обнаружить ранее неизвестный феномен. В момент столкновения водяной капли с бумагой или иной твердой гидрофобной поверхностью от капли отделяется тончайшая струйка. Причем скорость ее в 40 раз превосходит скорость падения самой капли!

Это наблюдение Денис Бартоло из французской Ecole Normal Superieure и его коллеги из Нидерландов зафиксировали на видео и рассчитали, что при начальной скорости капли, равной 50 см в секунду, скорость отделяющейся от нее тонкой струйки равна 20 м в секунду.

Однако если увеличить скорость капли, сделав ее больше 70 см в секунду, этот эффект исчезает. Почему?

Исследователи предположили, что микроскопический поток воды возникает от столкновения друг с другом и «взрыва» заключенных в капле пузырьков воздуха, когда капля деформируется в результате удара о поверхность. А при увеличении скорости падения капли пузырькам воздуха в капле удержаться уже не удается, и «взрывов» уже не происходит.

Полученные результаты важны для понимания практически всех процессов, при которых происходит столкновение капель с поверхностью. Речь идет и о струйной печати, и о капельном орошении, а также об опрыскивании пестицидами в агрономии и применении аэрозолей в современном изобразительном искусстве.

Теперь давайте отправимся к химикам Принстонского университета, которые разработали новую технологию для быстрой печати удивительно тонких линий, позволяющую печатать линии в десять раз тоньше и на несколько порядков быстрее, чем обычно, что должно дать толчок развитию гибкой электроники и произвести революцию в технологии производства дисплеев.

В основе метода лежит известная технология получения электродинамических струй, при которой жидкость из сопла вытягивает сильное электрическое поле.

Особенность таких струй — их неустойчивость, из-за которой струя либо быстро разбивается на мелкие капельки, либо начинает извиваться, словно змея. Эти неустойчивости давно используют в различных технологических процессах. Например, режим «извивающейся змеи» используется, чтобы свивать волокна при плетении нитей. А режим мелких капель — для нанесения на поверхность ровного слоя краски.

Однако математически предсказать поведение струи долго не могли. Принстонские исследователи обратили внимание на то, что, когда струя начинает извиваться, ток, идущий по самой струе, заметно меньше полного тока в цепи. В природе, как известно, ничто не исчезает. Оставалось предположить, что воздух вокруг струи ионизируется, и часть тока течет по окружающей струю плазме, заставляя струю извиваться.

Эта гипотеза позволила развить теорию электродинамических струй и найти параметры, при которых струи устойчивы, сообщает журнал Physical Review Letters.

Причем теория блестяще подтвердилась на практике. В ходе эксперимента удалось получить струи толщиной в 100 нанометров и длиной до 8 миллиметров. Интересно, что получается такая струйка из сопла диаметром в полмиллиметра (то есть сопло в 5000 раз толще струйки!). Это, в свою очередь, позволяет избежать засорения сопловых отверстий и довести скорость печати линий до нескольких метров в минуту. Раньше линии такой толщины можно было получать только травлением или электронным лучом и не быстрее, чем примерно микрон в минуту.

Высокоскоростная струйная печать позволит создавать большие электронные схемы на гибкой основе, широкоформатные дисплеи, трехмерные решетки для фотонных кристаллов и многое другое, уверяют разработчики, уже запатентовавшие свою технологию.

И это еще не все об исследованиях, связанных с водяными каплями. Вероятно, в ближайшем будущем мы узнаем еще немало сенсационного об этой, казалось бы, заурядной жидкости — воде.