Обычная капля дождя, падающую в лужу: этот, казалось бы, простой процесс рождает целую симфонию звуков и сложнейших гидродинамических явлений. Российским ученым из Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН впервые в мире удалось не только увидеть, но и услышать, как электрическое поле меняет эту «симфонию». Их открытие раскрывает тайны, скрытые в самом сердце природных явлений — от рождения грома в грозовых облаках до поведения биологических жидкостей в живом организме.
Эксперимент, проведенный на уникальной установке «Динамика заряженной капли», напоминал съемки голливудского блокбастера в замедленном действии. Специалисты снимали падение капли дистиллированной воды в бассейн с частотой 50 000 кадров в секунду, одновременно записывая подводные звуки с помощью высокочувствительного гидрофона. Главным «режиссером» в этом капельном спектакле выступало электростатическое поле напряжением 2 000 Вольт.
И оно кардинально изменило сценарий! Обычно при падении капли образуется полость, которая, схлопываясь, рождает пузырь, отрывающийся с помощью тонкой водяной «перетяжки» — как мыльный пузырь на соломинке. Именно колебания этого пузыря и создают характерный звук. Но в электрическом поле все происходит иначе: пузырь отрывается «чисто», будто его аккуратно срезают лезвием, без всякой перетяжки. Его форма становится сложной — с плоской вершиной и острыми краями, а по поверхности бегут крошечные капиллярные волны.
Но самые удивительные открытия ждали ученых в аудиозаписи. Звуковая дорожка падения капли — это не один хлопок, а целая серия акустических «пакетов». Первый, высокочастотный, возникает в момент контакта. Затем, с задержкой, следует второй, более мощный и низкий — его издает тот самый оторвавшийся пузырь. Электрическое поле не только меняет «внешность» пузыря, но и его «голос»: частота звука плавно повышается, что говорит о непрерывном изменении объема и формы звучащей полости.
Апофеозом капельной драмы становится рождение третьего звукового пакета. Быстро растущая новая полость догоняет дрейфующий пузырь, они вступают в сложный танец, то соприкасаясь, то расходясь, и в конце концов соединяются тончайшим воздушным каналом. Разрыв этой перемычки и порождает финальный, многоголосый аккорд.
Это фундаментальное исследование — не просто научное любопытство. Понимание того, как электрические поля влияют на слияние капель и рождаемый ими звук, имеет огромное практическое значение. Оно поможет метеорологам точнее интерпретировать подводные шумы дождя, удаленные данные о котором используются для изучения климата океана. В перспективе эти знания могут быть использованы в медицине, например, для управления микроскопическими дозами лекарств в «лабораториях-на-чипе», и в самых передовых технологиях, где контроль за поведением микроскопических капель открывает путь к новым материалам и производственным процессам. Проще говоря, ученые научились понимать язык, на котором капли рассказывают о своих сложных взаимоотношениях с электричеством, и этот язык обещает стать ключом к новым технологиям будущего.
Исследование опубликовано в журнале «Физико-химическая кинетика в газовой динамике»
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
