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Determinare la quantità di campo elettrico in grado di gestire una goccia d'acqua prima che scoppi ha tormentato a lungo gli scienziati.
Il concetto sembra facile ma trovare una semplice formula matematica che spieghi questo fenomeno si è rivelato difficile, fino ad ora.
Un team di scienziati del MIT ha determinato una semplice formula per valutare la stabilità di una gocciolina elettrificata. È così semplice che risolverlo può essere fatto con carta e matita.
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"Prima del nostro risultato, ingegneri e scienziati dovevano eseguire simulazioni ad alta intensità di calcolo per valutare la stabilità di una gocciolina elettrificata", afferma l'autore principale Justin Beroz, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Fisica del MIT.
“Con la nostra equazione, è possibile prevedere immediatamente questo comportamento, con un semplice calcolo con carta e matita. Questo è di grande vantaggio pratico per gli ingegneri che lavorano con, o cercano di progettare, qualsiasi sistema che coinvolge liquidi ed elettricità ".
La scoperta potrebbe aiutare i nuovi metodi di viaggio spaziale
Il team dietro la scoperta afferma che la nuova formula potrebbe portare a nuovi progressi in una varietà di campi, dalla propulsione spaziale alla spettrometria di massa, alla stampa ad alta risoluzione, alla purificazione dell'aria e all'analisi molecolare.
Le goccioline d'acqua si formano come piccole sfere grazie alla tensione superficiale. Questa forza lega le molecole d'acqua alla superficie di una gocciolina e le tira verso l'interno, formando la forma.
Questa forma perfetta potrebbe essere distorta se è esposta ad altre forze come un campo elettrico. La tensione superficiale cerca di mantenere la forma delle goccioline, ma la forza opposta del campo tira fuori la goccia dalla forma.
"Ad un certo punto, se il campo elettrico è abbastanza forte, la goccia non riesce a trovare una forma che bilanci la forza elettrica, ea quel punto diventa instabile e scoppia", spiega Beroz.
Beroz dice che la sua squadra era interessata al momento - appena prima che la goccia esploda e quando è nella sua forma più distorta.
L'esperimento noioso produce risultati
Per esaminarlo, i ricercatori hanno organizzato un esperimento in cui hanno disperso lentamente le goccioline d'acqua su una piastra elettrificata e hanno utilizzato una telecamera ad altissima velocità per registrare le goccioline.
"All'inizio l'esperimento è davvero noioso: stai guardando la gocciolina cambiare lentamente forma e poi all'improvviso scoppia", dice Beroz.
Inizialmente, il team ha solo documentato una serie di cadute che cambiano le dimensioni della goccia e la forza del campo elettrico. Successivamente, ogni fotogramma della gocciolina è stato isolato per esaminare lo spostamento nella forma della gocciolina mentre veniva distorta dal campo. Beroz ha delineato la forma criticamente stabile di ciascuna goccia appena prima che scoppiasse e ha calcolato diversi parametri come il volume, l'altezza e il raggio della goccia.
Ha quindi tracciato questi dati e ha scoperto che cadevano lungo una linea retta.
"Da un punto di vista teorico, è stato un risultato inaspettatamente semplice data la complessità matematica del problema", afferma Beroz.
"Ha suggerito che ci potrebbe essere un modo trascurato, ma semplice, per calcolare il criterio di scoppio per le goccioline."
Sii semplice
La chiave per scoprire la semplice equazione è stata ignorare l'altezza della goccia e concentrarsi invece sul suo volume.
"Negli ultimi 100 anni, la convenzione era di scegliere l'altezza", dice Beroz.
“Ma quando una goccia si deforma, la sua altezza cambia, e quindi la complessità matematica del problema è inerente all'altezza. D'altra parte, il volume di una goccia rimane fisso indipendentemente da come si deforma nel campo elettrico ".
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