Эффект лейденфроста что это
Эффект Лейденфроста
Эффект Лейденфроста — это явление, при котором жидкость в контакте с телом значительно более горячим, чем точка кипения этой жидкости, создаёт изолирующий слой пара, который предохраняет жидкость от быстрого выкипания.
Явление названо в честь Иоганна Готлоба Лейденфроста, который затронул данную проблему в «Трактате о некоторых свойствах обыкновенной воды» в 1756 году, хотя до него феномен наблюдал как минимум Бургаве в 1732 году.
В повседневной жизни явление проще всего наблюдать при приготовлении пищи: для оценки температуры сковороды на неё брызгают водой — если температура достигла или уже выше точки Лейденфроста, вода соберётся в капли, которые будут «скользить» по поверхности металла и испаряться дольше, чем если бы это происходило в сковороде, нагретой сильнее точки кипения воды, но ниже точки Лейденфроста. Этот же эффект отвечает за подобное поведение жидкого азота, пролитого на пол при комнатной температуре.
Наиболее зрелищные его демонстрации довольно опасны: например, погружение мокрых пальцев в расплавленный свинец, опускание руки в расплавленную сталь или выплёвывание жидкого азота/пускание колечек испаряющегося азота. Последнее, более того, может привести к смерти.
Как говорилось выше, в случае с водой эффект можно наблюдать, капая на сковороду по мере её нагревания. Вначале, когда температура поверхности ниже 100 °C, вода просто растекается по ней и постепенно испаряется. По достижении 100 °C капли будут испаряться с шипением и куда быстрее. Далее, после того как температура проходит точку Лейденфроста, начинает проявляться означенный эффект: при контакте со сковородой капли собираются в маленькие шарики и перемещаются по ней — вода находится в сковороде значительно дольше, чем при более низких температурах. Явление наблюдается до тех пор, пока температура не станет настолько большой, что капли начнут испаряться слишком быстро для его проявлений.
Основная причина — при температурах выше точки Лейденфроста нижняя часть капли мгновенно испаряется при контакте с горячей поверхностью. Получающийся газ поддерживает оставшуюся часть капли над ней, предотвращая дальнейшее прямое соприкосновение между жидкой водой и горячим телом. Так как теплопроводность пара значительно ниже, теплообмен между каплей и сковородой замедляется, это позволяет капле «ездить» по сковороде на слое газа под ней.
Поведение воды на горячей пластине. На графике показан поток тепла в зависимости от температуры после точки кипения. Эффект проявляется после т. н. переходного кипения (transition boiling).
Температуру, при которой начинает работать эффект, непросто предсказать заранее. Даже если объём жидкости остаётся постоянным, точка Лейденфроста может меняться в сложной зависимости от свойств поверхности, а также примесей в жидкости. Некоторые исследования всё же проводились на теоретической модели системы, что, однако, оказалось весьма затруднительным.Одна из довольно грубых оценок даёт значение точки Лейденфроста для воды на сковороде в 193 °C.
Явление было также описано выдающимся конструктором паровых котлов Викторианской эпохи Уильямом Фэйрбэрном, который видел в нём причину сильного уменьшения теплообмена между горячим железом и водой в паровом котле. В двух лекциях по конструкции котлов он цитировал работу, в которой капля, почти мгновенно испарявшаяся при температуре 168 °C, сохранялась в течение 152 секунд при 202 °C: получалось, что при более низких температурах в топке вода может испаряться даже быстрее. Вариант с повышением температуры за точку Лейденфроста также рассматривался Фэйрбэрном, что должно было бы привести его к созданию котлов, наподобие используемых в паромобилях, однако, возможности техники того времени вряд ли это позволяли.
Эффект Лейденфроста помогает телам двигаться направленно
При определенных условиях капля жидкости, находящаяся на очень горячей поверхности, испаряется не сразу, а за счет теплоизолирующей прослойки из собственного пара существует довольно длительное время. Это явление известно как эффект Лейденфроста, а сама капля — как капля Лейденфроста. В 2006 году было обнаружено, что на поверхности со специальным рельефом капля Лейденфроста способна совершать направленное движение. Объяснение, которое дали в своей статье авторы этого открытия, оказалось неправильным. Коллектив ученых из Франции, проведя серию экспериментов, выяснил истинный механизм перемещения капли. Фактически она представляет собой «корабль на воздушной подушке», источник тяговой силы в котором — течение пара из теплоизолирующей прослойки.
В последние годы изучение динамических характеристик капель разнообразных жидкостей привлекает всё больше ученых. Отчасти этот интерес обусловлен появлением высокоскоростных видеокамер, способных до мельчайших подробностей запечатлеть поведение капель на поверхности с заданными физическими и химическими параметрами, их соударение, а также взаимодействие капель с различными телами и средами. Анализ этих видеоданных позволяет, во-первых, проверить существующие теоретические модели, описывающие эти явления, а во-вторых, выявить какие-нибудь новые факты, не предсказанные теориями. Исследование динамики капель имеет также и большое прикладное значение: его результаты используются в технологиях lab-on-a-chip, струйной печати, охлаждении разбрызгиванием и даже в таком приземленном процессе, как покраска.
Если проанализировать опубликованные данные экспериментов, посвященных нестационарному поведению капель, то в большинстве случаев причиной, заставляющей эти объекты двигаться, является гравитация. Однако не только силой тяжести можно добиться движения. Еще в середине XIX века итальянский физик Карло Марангони обнаружил, что капли, находящиеся на поверхности жидкости с неоднородным распределением коэффициента поверхностного натяжения, начинают смещаться в ту область, где значение этой величины имеет максимум. Это явление получило название эффекта Марангони (см. Marangoni effect). Между прочим, именно он ответственен за так называемые «слёзы вина» — колечко прозрачной жидкости, образующееся в верхней части бокала (после того, как его слегка взболтали), из которого затем формируются капли и стекают обратно в вино.
Эффект Лейденфроста
Наверняка многим у себя на кухне приходилось видеть, как капли жидкости, попавшие на очень горячую сковороду, испаряются не сразу, а в течение минуты и даже дольше крутятся на ее поверхности (затем капля, разумеется, испаряется). Эта аномально долгая жизнь капли именуется эффектом Лейденфроста, в честь немецкого физика, описавшего это явление в 1750 году. Длительным существованием капля обязана тонкой прослойке из пара собственной жидкости (рис. 1), который выступает в качестве теплоизолирующего слоя, замедляя ее испарение.
Помимо того, что капля, благодаря «паровой подушке», существенно продлевает свою жизнь, она еще и левитирует над горячей поверхностью. В научной литературе левитирующие капли известны как капли Лейденфроста.
В качестве иллюстрации эффекта Лейденфроста на рис. 2 показано время жизни капли воды на дюралюминиевой подложке в зависимости от температуры подложки.
Пока температура поверхности меньше 100°C, время существования объекта неуклонно уменьшается и достигает 200 мс в предельной точке (точке кипения воды). При этой температуре капля непосредственно соприкасается с подложкой и закипает. Когда температура возрастает со 100 до 150°C, срок жизни капли за счет образования изолирующего слоя пара быстро растет. Максимальное время жизни капли определяет так называемую температуру Лейденфроста, индивидуальную для каждой жидкости. Также эта температура зависит от степени чистоты жидкости, качества поверхности, структуры и других факторов вплоть до того, каким образом капля была положена на подложку. В данном конкретном примере с водой она составляет около 150°C.
Исследованию эффекта Лейденфроста посвящено большое количество статей, однако то, что капли под его воздействием в состоянии направлено перемещаться, стало известно совсем недавно, из уже упомянутой выше статьи в Physical Review Letters.
Как эффект Лейденфроста помогает каплям направленно двигаться?
Сразу отметим ключевой момент пионерского исследования: наблюдаемое перемещение капли фреона R-134a происходило лишь на специально приготовленной подложке (как на рис. 3) с периодической несимметрично рифленой структурой. Нестационарное поведение объекта первооткрыватели явления ошибочно связали с тем, что подложка по-разному деформирует каплю и создает неодинаковое лапласовское давление на ее краях и в той ее части, которая расположена на зубце. Образовавшийся таким образом градиент давления Лапласа заставляет каплю смещаться.
Ученые из Политехнической школы и Лаборатории физики и механики неоднородных сред в Париже, экспериментируя с каплями этанола (рис. 3), решили более подробно исследовать описанное выше явление и установить истинный механизм возникновения движения капель. Результаты своих изысканий они представили в статье Leidenfrost on a ratchet в журнале Nature Physics.
Для начала ученые сформулировали основные причины, которые могут индуцировать перемещение:
1) прежде всего, это уже описанная неоднородность радиуса кривизны капли, порождающая градиент лапласовского давления;
2) внутри капли могут существовать процессы переноса вещества от задней части к передней (волны), генерирующие движение капли;
3) спонтанные колебания капли из-за неоднородной толщины прослойки пара способны трансформироваться в кинетическую энергию направленного движения;
4) эффект Марангони: коэффициент поверхностного натяжения обладает температурной зависимостью, а потому возможная неравномерность температуры может спровоцировать его неоднородное распределение, а значит, и смещение капли (см. статью Optical levitation and transport of microdroplets: Proof of concept).
5) пока поверхность, на которой находится капля Лейденфроста, гладкая, пар равномерно и изотропно (одинаково во все стороны) вытекает из-под капли. Если же поверхность рифленая (как, например, на рис. 3), течение пара становится анизотропным, приобретая определенное направление. Изолирующая прослойка становится как бы двигателем на паровой тяге, инициирующим движение капли, а капля — чем-то вроде корабля на воздушной подушке.
Очевидно, что первые четыре причины связаны с деформацией объекта, то есть следуют из его жидкой природы. Поэтому ученые задались вопросом, будет ли возникать наблюдаемая динамика, если каплю заменить твердым телом. Чтобы реализовать эффект Лейденфроста для этого случая, ученые взяли «сухой» лед (диоксид углерода), который имеет свойство переходить из твердого агрегатного состояния сразу в газообразное, минуя жидкое (сублимироваться). Температура сублимации диоксида углерода составляет –78,5°C. Роль капель Лейденфроста выполняли диски из «сухого» льда сантиметрового диаметра и миллиметровой толщины. Они укладывались на горячую подложку (температура 350°C) с такой же ассиметрично рифленой структурой, которая имела место в пионерских экспериментах 2006 года.
В ходе экспериментов выяснилось, что диски из твердого диоксида углерода не просто двигаются, а перемещаются в том же направлении, что и капли Лейденфроста. Более того, как и капли, ледяные диски двигались с постоянным ускорением, после чего их скорость также выходила на постоянное значение. Следовательно, заключают авторы статьи, истинная причина движения обусловлена именно анизотропным течением пара из прослойки между поверхностью и объектом.
Основываясь на этом факте, ученые построили теорию движения тел под действием эффекта Лейденфроста. Согласно ее выводам, тяговая сила, действующая на каплю, должна быть пропорциональна ее радиусу в степени 3/2, а скорость практически не зависит от размера (точнее, она обратно пропорциональна корню четвертой степени радиуса капли). Эксперименты с каплями этанола подтверждают теоретические выкладки (рис. 5), что лишний раз доказывает правильность установленной причины изучаемого явления.
В заключение стоит заметить, что характеристики движения капли зависят также и от геометрических параметров рельефа подложки. Нижний график на рисунке дает понять, что при радиусе капли, не превосходящей расстояния между зубцами рифленой поверхности («длина волны»), эффект Лейденфроста не в состоянии сдвинуть каплю с места. При большем размере, как следует из разработанной авторами статьи теории, скорость капли пропорциональна квадратному корню из отношения «длины волны» поверхности и высотой зубца.
Источник: Guillaume Lagubeau, Marie Le Merrer, Christophe Clanet, David Quéré. Leidenfrost on a ratchet // Nature Physics (published online 20 February 2011).
См. также:
1) Видеогалерея движения капель фреона R-134a из вспомогательных материалов к статье H. Linke et al. Self-Propelled Leidenfrost Droplets в Phys. Rev. Lett.
2) Игорь Иванов. Открыт эффект Лейденфроста в сыпучих материалах, «Элементы», 21.12.2005.
Физики сымитировали бильярд с помощью жидкого азота и капли спирта
Anaïs Gauthier et al. / PNAS, 2019
Физики из Нидерландов и Франции обнаружили, что капли этанола или силиконового масла, помещенные над поверхностью жидкого азота, левитируют за счет обратного эффекта Лейденфроста, ускоряются, скользят по прямым траекториям и упруго отражаются от стенок, словно бильярдные шары. При этом время левитации капли может достигать десяти минут, что почти на порядок превышает время левитации обычного эффекта Лейденфроста. Численное моделирование процесса показало, что капли ускоряются из-за асимметрии газовой подушки, создаваемой испаряющимся азотом. Несмотря на то, что исследователи не смогли объяснить эту асимметрию, они предложили несколько механизмов ее генерации и воспроизвели остальные результаты с помощью качественной модели. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), кратко о ней сообщает Nature.
В XVIII веке Иоганн Лейденфрост заметил, что капля жидкости, попавшая на твердую раскаленную поверхность, подвешивается и остается в таком состоянии в течение долгого промежутка времени (порядка нескольких минут). Это происходит из-за того, что нижний слой капли мгновенно превращается в пар, обладающий плохой теплопроводностью, который изолирует оставшуюся жидкость. Эффект Лейденфроста легко можно увидеть в повседневной жизни: если побрызгать водой на сковородку, разогретую до температуры порядка 200 градусов Цельсия, вода соберется в капли, которые будут скользить по поверхности. Кроме того, благодаря этому эффекту можно без ущерба погружать мокрую руку в расплавленный металл или пускать колечки жидкого азота (впрочем, делать это нужно аккуратно, поскольку в случае ошибки можно серьезно пострадать или даже умереть).
Несмотря на то, то эффект Лейденфроста известен более двухсот лет, физики до сих пор продолжают его исследовать и открывать новые детали. Например, за последние десять лет ученые выяснили, что капли не только могут двигаться по раскаленной поверхности практически без трения, но также отражаются от стенок, подпрыгивают и дрожат. Более того, направление их движения можно контролировать, создавая на поверхности подложки асимметричный узор, который направляет пар. Также ученым удалось воспроизвести эффект над поверхностью жидкости, а не твердого тела — несмотря на то, что поверхность сильно деформируется под весом капли, это слабо влияет на движение капли, поскольку она не контактирует с жидкостью.
Группа ученых под руководством Анаис Гаутхир (Anaïs Gauthier) исследовала еще одну вариацию этого эффекта — обратный эффект Лейденфроста. В этом случае капля подвешивается в воздухе за счет испарения подложки — например, жидкого азота. Неожиданно ученые обнаружили, что поведение капли в такой установке сильно отличается от обычного эффекта Лейденфроста: капли самопроизвольно ускоряются, скользят по прямым линиям, отражаются от стенок и продолжают левитировать даже после того, как полностью замерзнут. Подобное поведение сохраняется в течение длительного времени (порядка десяти минут), и напоминает бильярд (или пинбол), в котором капля выступает в роли шарика.
Траектория капли на поверхности жидкого азота
Anaïs Gauthier et al. / PNAS, 2019
Для изучения обратного эффекта Лейденфроста ученые построили несложную экспериментальную установку. В центре установки находился бассейн с жидким азотом (диаметром около 7,5 сантиметров), в который ученые сбрасывали маленькие (диаметром порядка одного-двух миллиметров) капли этанола или силиконового масла. Физики выбрали эти жидкости из-за низкой температуры плавления (менее −100 градусов Цельсия), не позволяющей капле примерзать к иголке, с помощью которой ее подносили к поверхности бассейна. Кроме того, капли из этих жидкостей всегда принимают сферическую форму, когда замерзают (в отличие от капель воды, например). Чтобы предотвратить выкипание азота, ученые поместили его в «азотную баню» — окружили установку еще одним «жертвенным» бассейном с жидким азотом, который кипел и поддерживал во внутреннем бассейне постоянную температуру. В результате поверхность жидкости оставалась идеально гладкой в ходе всего эксперимента.
Схематическое изображение экспериментальной установки
Anaïs Gauthier et al. / PNAS, 2019
Траектория капли на поверхности жидкого азота
Anaïs Gauthier et al. / PNAS, 2019
То же, что на предыдущем рисунке, однако за более длинный промежуток времени. Цвет точки описывает скорость капли
Anaïs Gauthier et al. / PNAS, 2019
Поскольку и этанол, и силиконовое масло тяжелее жидкого азота, помещенная на его поверхность капля сначала тонула, однако затем быстро выносились на поверхность испаряющимся газом. После этого капля начинала медленно ускоряться и скользить по прямым линиям, идеально — то есть без потерь энергии — отражаясь от стенок бассейна. Как правило, период ускорения длился около пяти секунд. После этого скорость капли так же медленно начинала уменьшаться и спустя 30 секунд выходила на постоянный уровень. К этому времени температура капли практически сравнивалась с температурой кипения азота, то есть она больше не могла «кипятить» азот и создавать газовую подушку. Тем не менее, шарик еще несколько минут продолжал левитировать над жидкостью, пока внешнее воздействие — колебание поверхности или встреча с ледяным кристаллом — не выводила его из равновесия. При этом твердый шарик мог вращаться вокруг своей оси, тогда как жидкая капля в собственной системе отсчета всегда оставалась неподвижной. После этого капля тонула. Ученые отмечают, что время левитации капли почти на порядок превышает время обычного эффекта Лейденфроста, которое для капель миллиметрового диаметра обычно составляет около 30 секунд.
Чтобы объяснить такое необычное поведение, ученые численно смоделировали движение капли с помощью метода конечных элементов (sharp-interface finite element method). Для простоты физики пренебрегали температурными эффектами и считали, что азот испаряется с постоянной скоростью. Такое моделирование позволило ученым заметить тонкие детали, которые было невозможно увидеть на практике. В частности, оказалось, что капля неравномерно искажает газовую подушку испарившегося газа и начинала двигаться в сторону более глубокой «ямки». Разность толщины всегда получается постоянной и примерно равной 1,5 микрометрам. Когда капля набегает на мениск около стенки, «толстая» сторона подушки утончается, капля изменяет направление движения на противоположное и восстанавливает разницу. Это наблюдение позволило ученым обнаружить еще один вид траекторий капли, сохраняющихся в течение длительного времени — когда капля находится достаточно близко к стенке и имеет большую касательную скорость, сила отталкивания уравновешивает центробежную силу, и капля двигается по кругу.
Сетка, с помощью которой ученые моделировали движение капли
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Суть эффекта Лейденфроста. Капля жидкости, находящаяся на горячей поверхности, благодаря тонкой теплоизолирующей паровой прослойке не испаряется моментально, а продолжает существовать довольно длительное время, левитируя над подложкой. Стрелки показывают направление течения пара. Время жизни капли определяется многими параметрами.
При определенных условиях капля жидкости, находящаяся на очень горячей поверхности, испаряется не сразу, а за счет теплоизолирующей прослойки из собственного пара существует довольно длительное время. Это явление известно как эффект Лейденфроста, а сама капля — как капля Лейденфроста. В 2006 году было обнаружено, что на поверхности со специальным рельефом капля Лейденфроста способна совершать направленное движение. Объяснение, которое дали в своей статье авторы этого открытия, оказалось неправильным. Коллектив ученых из Франции, проведя серию экспериментов, выяснил истинный механизм перемещения капли. Фактически она представляет собой «корабль на воздушной подушке», источник тяговой силы в котором — течение пара из теплоизолирующей прослойки.
В последние годы изучение динамических характеристик капель разнообразных жидкостей привлекает всё больше ученых. Отчасти этот интерес обусловлен появлением высокоскоростных видеокамер, способных до мельчайших подробностей запечатлеть поведение капель на поверхности с заданными физическими и химическими параметрами, их соударение, а также взаимодействие капель с различными телами и средами. Анализ этих видеоданных позволяет, во-первых, проверить существующие теоретические модели, описывающие эти явления, а во-вторых, выявить какие-нибудь новые факты, не предсказанные теориями. Исследование динамики капель имеет также и большое прикладное значение: его результаты используются в технологиях lab-on-a-chip, струйной печати, охлаждении разбрызгиванием и даже в таком приземленном процессе, как покраска.
Если проанализировать опубликованные данные экспериментов, посвященных нестационарному поведению капель, то в большинстве случаев причиной, заставляющей эти объекты двигаться, является гравитация. Однако не только силой тяжести можно добиться движения. Еще в середине XIX века итальянский физик Карло Марангони обнаружил, что капли, находящиеся на поверхности жидкости с неоднородным распределением коэффициента поверхностного натяжения, начинают смещаться в ту область, где значение этой величины имеет максимум. Это явление получило название эффекта Марангони (см. Marangoni effect). Между прочим, именно он ответственен за так называемые «слёзы вина» — колечко прозрачной жидкости, образующееся в верхней части бокала (после того, как его слегка взболтали), из которого затем формируются капли и стекают обратно в вино.
Эффект Лейденфроста
Наверняка многим у себя на кухне приходилось видеть, как капли жидкости, попавшие на очень горячую сковороду, испаряются не сразу, а в течение минуты и даже дольше крутятся на ее поверхности (затем капля, разумеется, испаряется). Эта аномально долгая жизнь капли именуется эффектом Лейденфроста, в честь немецкого физика, описавшего это явление в 1750 году. Длительным существованием капля обязана тонкой прослойке из пара собственной жидкости (рис. 1), который выступает в качестве теплоизолирующего слоя, замедляя ее испарение.
Помимо того, что капля, благодаря «паровой подушке», существенно продлевает свою жизнь, она еще и левитирует над горячей поверхностью. В научной литературе левитирующие капли известны как капли Лейденфроста.
В качестве иллюстрации эффекта Лейденфроста на рис. 2 показано время жизни капли воды на дюралюминиевой подложке в зависимости от температуры подложки
Пока температура поверхности меньше 100°C, время существования объекта неуклонно уменьшается и достигает 200 мс в предельной точке (точке кипения воды). При этой температуре капля непосредственно соприкасается с подложкой и закипает. Когда температура возрастает со 100 до 150°C, срок жизни капли за счет образования изолирующего слоя пара быстро растет. Максимальное время жизни капли определяет так называемуютемпературу Лейденфроста, индивидуальную для каждой жидкости. Также эта температура зависит от степени чистоты жидкости, качества поверхности, структуры и других факторов вплоть до того, каким образом капля была положена на подложку. В данном конкретном примере с водой она составляет около 150°C.
Исследованию эффекта Лейденфроста посвящено большое количество статей, однако то, что капли под его воздействием в состоянии направлено перемещаться, стало известно совсем недавно, из уже упомянутой выше статьи в Physical Review Letters.
Сразу отметим ключевой момент пионерского исследования: наблюдаемое перемещение капли фреона R-134a происходило лишь на специально приготовленной подложке (как на рис. 3) с периодической несимметрично рифленой структурой. Нестационарное поведение объекта первооткрыватели явления ошибочно связали с тем, что подложка по-разному деформирует каплю и создает неодинаковое лапласовское давление на ее краях и в той ее части, которая расположена на зубце. Образовавшийся таким образом градиент давления Лапласа заставляет каплю смещаться.
Капля этанола (температура Лейденфроста 200°C), находящаяся на горячей латунной подложке (температура 350°C), под действием эффекта Лейденфроста двигается в направлении, указанномстрелкой в верхнем правом углу. Радиус капли в экваториальной плоскости равен приблизительно 3 мм. Латунь имеет рифленую поверхность, высота зубцов составляет 300 мкм, расстояние между ними 1,5 мм.
Ученые из Политехнической школы и Лаборатории физики и механики неоднородных сред в Париже, экспериментируя с каплями этанола (рис. 3), решили более подробно исследовать описанное выше явление и установить истинный механизм возникновения движения капель. Результаты своих изысканий они представили в статье Leidenfrost on a ratchet в журнале Nature Physics.
Для начала ученые сформулировали основные причины, которые могут индуцировать перемещение:
1) прежде всего, это уже описанная неоднородность радиуса кривизны капли, порождающая градиент лапласовского давления;
2) внутри капли могут существовать процессы переноса вещества от задней части к передней (волны), генерирующие движение капли;
3) спонтанные колебания капли из-за неоднородной толщины прослойки пара способны трансформироваться в кинетическую энергию направленного движения;
4) эффект Марангони: коэффициент поверхностного натяжения обладает температурной зависимостью, а потому возможная неравномерность температуры может спровоцировать его неоднородное распределение, а значит, и смещение капли (см. статью Optical levitation and transport of microdroplets: Proof of concept).
5) пока поверхность, на которой находится капля Лейденфроста, гладкая, пар равномерно и изотропно (одинаково во все стороны) вытекает из-под капли. Если же поверхность рифленая (как, например, на рис. 3), течение пара становится анизотропным, приобретая определенное направление. Изолирующая прослойка становится как бы двигателем на паровой тяге, инициирующим движение капли, а капля — чем-то вроде корабля на воздушной подушке.
Очевидно, что первые четыре причины связаны с деформацией объекта, то есть следуют из его жидкой природы. Поэтому ученые задались вопросом, будет ли возникать наблюдаемая динамика, если каплю заменить твердым телом. Чтобы реализовать эффект Лейденфроста для этого случая, ученые взяли «сухой» лед (диоксид углерода), который имеет свойство переходить из твердого агрегатного состояния сразу в газообразное, минуя жидкое (сублимироваться). Температура сублимации диоксида углерода составляет –78,5°C. Роль капель Лейденфроста выполняли диски из «сухого» льда сантиметрового диаметра и миллиметровой толщины. Они укладывались на горячую подложку (температура 350°C) с такой же ассиметрично рифленой структурой, которая имела место в пионерских экспериментах 2006 года.
В ходе экспериментов выяснилось, что диски из твердого диоксида углерода не просто двигаются, а перемещаются в том же направлении, что и капли Лейденфроста. Более того, как и капли, ледяные диски двигались с постоянным ускорением, после чего их скорость также выходила на постоянное значение. Следовательно, заключают авторы статьи, истинная причина движения обусловлена именно анизотропным течением пара из прослойки между поверхностью и объектом.
Основываясь на этом факте, ученые построили теорию движения тел под действием эффекта Лейденфроста. Согласно ее выводам, тяговая сила, действующая на каплю, должна быть пропорциональна ее радиусу в степени 3/2, а скорость практически не зависит от размера (точнее, она обратно пропорциональна корню четвертой степени радиуса капли). Эксперименты с каплями этанола подтверждают теоретические выкладки (рис. 5), что лишний раз доказывает правильность установленной причины изучаемого явления.
В заключение стоит заметить, что характеристики движения капли зависят также и от геометрических параметров рельефа подложки. Нижний график на рисунке дает понять, что при радиусе капли, не превосходящей расстояния между зубцами рифленой поверхности («длина волны»), эффект Лейденфроста не в состоянии сдвинуть каплю с места. При большем размере, как следует из разработанной авторами статьи теории, скорость капли пропорциональна квадратному корню из отношения «длины волны» поверхности и высотой зубца.
Источник: Guillaume Lagubeau, Marie Le Merrer, Christophe Clanet, David Quéré. Leidenfrost on a ratchet // Nature Physics (published online 20 February 2011).