在國際空間站上觀看精彩的水滴融合
了解水滴如何擴散和凝聚對於日常生活中的情景是至關重要的,例如雨滴從汽車、飛機和屋頂上落下,以及在能源生產、航空航天工程和微尺度細胞粘附中的應用。然而,這些現像很難建模,在實驗中觀察也很困難。在AIP出版的《流體物理學》中,來自康奈爾大學和克萊姆森大學的研究人員設計並分析了在國際空間站(ISS)上進行的液滴實驗。
水滴通常表現為小的球形水帽,因為其表面張力超過了重力。
“如果水滴變得更大,它們就開始失去球形,而重力將它們擠壓成更像水坑的形狀,”作者康奈爾大學的Josh McCraney說。”如果我們想分析地球上的水滴,我們需要在一個非常小的尺度上進行分析。”
但是在小尺度上,水滴的動態太快了,無法觀察。因此,在國際空間站,太空中較低的重力意味著該團隊可以研究更大的液滴,從幾毫米的直徑到10倍的長度。
在國際空間站的實驗中,水滴(厘米級)合併。
研究人員將四種具有不同粗糙度的表面送到國際空間站,在那裡它們被安裝在一個實驗桌上。攝像機記錄了水滴的擴散和合併過程。
美國宇航局宇航員凱瑟琳-魯賓斯和邁克爾-霍普金斯將在表面的一個中心位置放置一個所需大小的單滴。這個水滴靠近,但不接觸,一個預先鑽入表面的小舷窗,然後宇航員通過舷窗注水,水收集並基本上長出相鄰的一滴。注射繼續進行,直到兩滴水接觸,在這一點上它們會凝聚在一起。
實驗旨在測試戴維斯-霍金模型,這是一種模擬水滴的簡單方法。如果一滴水坐在一個表面上,它的一部分接觸到空氣並形成一個界面,而與表面接觸的部分則形成一個邊緣或接觸線。戴維斯-霍金模型描述了接觸線的方程式。實驗結果證實並擴大了戴維斯-霍金模型的參數空間。
作為該項目的最初主要研究者,康奈爾大學已故的保羅-斯蒂恩教授申請了撥款,走訪了世界各地的合作者,培訓了博士生,並細緻地分析了相關的地面研究,所有這些都是為了看到他的工作在國際空間站上成功進行。不幸的是,斯蒂恩在他的實驗發射前幾個月就去世了。
麥克拉尼說:”雖然他不在這裡看到結果是一件非常不幸的事情,但我們希望這項工作能讓他和他的家人感到驕傲。”