Струя обычной жидкости, ударяясь в плоскую пластину, формирует круговые формы. Но как выяснилось, так называемые вязкоупругие жидкости, помимо других форм, могут образовывать квадратные или треугольные структуры. Это странное поведение определяется особенностям взаимодействия такой жидкости с поверхностью в точке удара. За счет формирования своеобразных «крыльев» в жидкости снижается внутреннее напряжение. Естественно, подобные структуры влияют на транспорт жидкости и потенциально могут использоваться для фокусировки потока или оптимизации формирования капель в промышленных условиях.

Вязкоупругие жидкости, таких как гели или пасты, реагируют на деформацию двумя способами: в них одновременно появляется как трение (за счет вязкости), так и упругий отклик (за счет упругости). Подобными свойствами вязкоупругие жидкости обязаны молекулам с длинной цепочкой атомов (полимерам), которые могут растягиваться, как крошечные пружины.

К вязкоупругим жидкостям относятся: слюна, сок деревьев, клеи, краски и даже ракетное топливо.

Одним из уникальных свойств этих жидкостей является то, что они сопротивляются формированию капли (или распылению), что делает их трудно обрабатываемыми в системах впрыска топлива или в процессах формирования порошков.

Группа ученых из Paris Diderot University (Франция) изучала распыление вязкоупругих жидкостей в рамках классического эксперимента, в котором струя жидкости с большой скоростью выталкивается через сопло на плоскую поверхность. Отраженная от поверхности жидкость формирует на некотором расстоянии от точки столкновения своеобразной тонкий лист, распадается на капли или формирует так называемый «гидравлический прыжок» – вид стационарной волнообразной структуры, который появляются рядом с камнями в быстро движущихся потоках.

Для начала в своих экспериментах ученые использовали обычные жидкости. После чего перешли к раствору полиэтиленгликоля (хорошо изученная вязкоупругая жидкость). Они обнаружили, что

для реактивных скоростей, превышающих скорость потока порядка 1 метра в секунду, при размещении сопла на расстоянии меньше сантиметра от поверхности, структура, возникающая в результате столкновения струи с этой поверхностью, преобразуется из круглой в треугольную, квадратную или иную многоугольную (при этом в углах фигуры появлялись отдельные капли жидкости).

Когда команда обратила внимание на место соударения струи с поверхностью, они увидели так называемые «крылья» – структуры, напоминающие оперение стрелы; при этом их количество совпадало с числом углов многоугольника, образованного жидкостью на поверхности. Более подробное изучение феномена показало, что

крылья способны формировать только вязкоупругие жидкости; чем быстрее поток жидкости и ближе сопло к поверхности, тем больше крылья. Экспериментируя с различными параметрами, команде удалось добиться формирования 34 крыльев, когда сопло располагалось всего в миллиметре от поверхности.

Столь необычное поведение ученые объясняют одновременным действием упругих напряжений и поверхностного натяжения.

Когда жидкость выходит из сопла, внешняя поверхность струи движется медленнее, чем ее центр. Это несоответствие приводит к деформации сдвига, которая растягивает молекулы полимера, расположенные вблизи от поверхности. В результате энергетически более выгодным оказывается распространение молекул вдоль своеобразного «крыла». Но поверхностное натяжение действует против появления дополнительной площади поверхности (за счет формирования каждого нового крыла).

В результате формируется ровно такая форма потока, чтобы сбалансировать силы. В рамках работы исследователи предложили математическую модель, точно предсказывающую форму и количество «крыльев», формирующихся для потока с заданной скоростью и расстоянием от сопла до поверхности.

Но причины, по которым крылья имеют столь узкую форму, пока до конца не понятны.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.