Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology hebben uitgelegd waarom een druppel vloeistof soms niet samenvloeit met het oppervlak van de vloeistof eronder. Als de druppel erg koud is en de vloeistof op de bodem warm genoeg is, zal de druppel "zweven" door de stromingen die worden veroorzaakt door het temperatuurverschil. De onderzoeksresultaten worden gepresenteerd in een artikel in de Journal of Fluid Mechanics.
Studieleider Michela Gehry vroeg zich af waarom het temperatuurverschil kan voorkomen dat de druppel zich mengt met het oppervlak van de vloeistof. Ze ontwierp een kleine doos, ongeveer zo groot als een espressokopje, met acrylwanden en een metalen onderrand, die ze beurtelings op een warme en koude plaat zette. De doos bevatte een kom met siliconenolie en aan de bovenkant zat een injectiespuit waardoor wetenschappers druppels siliconenolie konden persen met dezelfde viscositeit als in de kom. In elke reeks experimenten mat Gehry de temperatuur van de uitgeperste oliedruppel en de temperatuur van het oppervlak van de vloeistof in het bad. Er werden oliën geselecteerd met verschillende viscositeiten - van bijna water tot 500 keer viskeuzer.
Het tijdsinterval tussen de druppel die uit de injectiespuit kwam en de tijd dat hij samensmolt met het oppervlak van de vloeistof werd zorgvuldig vastgelegd op een camera die 2000 beelden per seconde filmde. In één geval konden wetenschappers een druppel gedurende tien seconden in de lucht laten zweven, waarbij een temperatuurverschil van 30 ° C werd gehandhaafd. Dit is ongeveer gelijk aan het verschil tussen warme koffie en koude melk die eraan wordt toegevoegd.
"We ontdekten dat het gewicht van de vallende druppel en de recirculatiekracht van de luchtlaag op een bepaald punt in evenwicht kunnen worden gebracht, en om dit evenwicht te bereiken, heb je een minimaal of kritiek temperatuurverschil nodig om de druppel te laten zweven", legt Gehry uit. Op een gegeven moment warmt de druppel volledig op, wordt de temperatuur gelijk aan de oppervlaktetemperatuur en stopt de levitatie.
Een druppel room valt in hete koffie / Massachusetts Institute of Technology
Een groep wetenschappers heeft dit fenomeen vanuit wiskundig oogpunt onderzocht. Berekeningen hebben aangetoond dat de levitatietijd van een druppel gerelateerd is aan het temperatuurverschil als 2: 3. Natuurkundigen pasten vergelijkingen aan die het mengen van twee vloeistoffen beschrijven en simuleren hoe het warme deel van de vloeistof in de druppel, die wordt verwarmd vanaf het oppervlak eronder, zich gedraagt. Dit maakte het mogelijk om te begrijpen hoe warme stromingen zich druppel voor druppel verspreiden en uiteindelijk alles opwarmen. Wetenschappers zijn van mening dat hun berekeningen zullen helpen om beter te begrijpen hoe chemicaliën en biologische stoffen zich vermengen en verspreiden in vloeistoffen, en om het gedrag van druppeltjes in omstandigheden zonder zwaartekracht te begrijpen.
