بعضی از قطره‌ها به خاطر الگویی پنهان در حرکت سیالات، پس از برخورد به سطح درست مانند یک افشانه پرتاب می شوند.

شکل 1. بعد از برخورد یک قطره(قرمز) به سطح مایع(آبی) یک معبر گردابی در پایین قطره شکل می گیرد.

افتادن قطره‌های مایع روی مایع دیگر(همانند ریزش باران بر گودال یا سطح دریا)  می تواند پاشش‌هایی با الگوهایی ظریف بیافریند. هم‌اکنون، گروهی نشان داده‌اند که الگوی پنهان در این برخوردها توضیح می‌دهد که چرا دیواره پاشش به قطرات کوچکی پراکنده می شود. پژوهشگران از شبیه‌سازی رایانه‌ای و تصویربرداری پر‌سرعت استفاده کردند تا جزییات پاشش را در هنگام برخورد قطره مطالعه کنند. ساختار پاشش می تواند اثراتی مهم در اقیانوس و فرایند‌های صنعتی همانند  لایه‌نشانی پاششی[1] داشته باشد.

وقتی بر اقیانوس باران می‌بارد، قطرات باران پخش شده و قطره‌های بسیار کوچکی را تولید می‌کنند؛ این قطره‌ها تبخیر شده و بلورهای نمک را بر جای می‌گذارند. بلورها می توانند بر شکل‌گیری ابرها اثر داشته باشند. درک بهتر از رویدادهای اولیه پاشش به پژوهشگران کمک می کند تا از این فرایند بیشتر بیاموزند. ساختار چنین پاشش‌هایی می‌تواند بر فرایندهای فناورانه همانند لایه‌نشانی پاششی و پراکندگی آفت‌کش‌های افشانه‌ای اثر بگذارد.

شکل 2. جزایری در آسمان-معابر گردابی در آسمان- عکس متعلق به Atmospheric Lidar Group

سیگوردور تورودسن[2] از دانشگاه علوم و فناوری ملک عبدالله در عربستان سعودی و همکارانش اخیرا از تصویربرداری سرعت بالا برای تماشای تحول پاشش‌های ایجاد شده بر روی یک مایع استفاده کرده اند. آن‌ها یافتند که اگر ضربه به اندازه کافی سریع باشد و سیال خیلی گرانرو نباشد، قطرات در «صفحه پرتاب»[3] حلقه مانند و نازکی خارج می شوند؛ شروع این فرایند لحظه‌ای‌ است که قطره به سطح مایع برخورد می کند. صفحه می‌تواند قطرات را از لبه بالایی آن‌ها حرکت دهد.

اکنون، این تیم گزارش می دهد که در سرعت ضربه‌های بالاتر، این صفحه می تواند تقریبا به طور کامل به افشانه‌ای از قطرات کوچک تبدیل شود. آن ها پاشش‌هایی را از قطرات چندین مایع متفاوت با چندین سرعت برخورد و عدد رینولدز[4](کمیتی بدون بعد که به نسبت سرعت قطره به گرانروی سیال وابسته است) گوناگون ضبط کردند. با ورودی‌های اضافی از شبیه‌سازی رایانه‌ای، پژوهشگران تعیین کردند که چگونه با افزایش عدد رینولدز، پاشش‌ منظم تبدیل به پاشش نامنظم می شود.

شبیه سازی این فرایند شاره‌ای بسیار چالش‌برانگیز است زیرا حاوی بازه‌ی گسترده‌ای از مقیاس‌های طول است. برای مثال، قسمت دیواره صفحه پرتاب بسیار نازک می‌شود: یک قطره 6 میلی متری می‌تواند صفحه‌ای به ضخامت 300 نانومتر تولید کند. برای غلبه بر این مشکل، پژوهشگران روش شبیه‌سازی ساختند که در آن تورین رایانه‌ای، فضا را تقسیم بندی کرده و در هر موقعیت، اندازه را بسته به اندازه ویژگی‌های [طولی] تغییر می‌دهد. تورودسن می گوید: «شبیه‌سازی‌های قبلی این پدیده اسفناک بودند و جذاب‌ترین جنبه‌های نتایج ما را از دست می دادند.»

گروه متوجه شد که، اگر عدد رینولدز بزرگ اما خیلی بزرگ نباشد، در هنگام برخورد قطره مجموعه‌ای از گرداب‌های حلقه‌مانند هم‌مرکز در لایه مشترک دو سیال ایجاد می‌شود و گرداب ها با فرورفتن در عمق نیز باقی می‌مانند. این لایه در سطح مقطع شبیه‌سازی و با برش عمودی مرکز قطره مشهود است. گرداب‌های حلقه‌مانند با عنوان «معابر گردابی فان کارمان»[5] شناخته می‌شوند؛ الگویی که اغلب وقتی ظاهر می‌شود که سیالی با عدد رینولدز بزرگ اغتشاش یابد.

در سطح مقطع شبیه‌سازی، گرداب‌ها را می توان دید که در پایین صفحه پرتاب شکل می‌گیرند و به طرف داخل حرکت می‌کنند. این «جاری شدن» گرداب ها درست بعد از لحظه‌ی برخورد آغاز می‌شود و می‌تواند صفحه را به نوسان وادارد زیرا گرداب ها در جهت‌های متنوعی می‌چرخند؛ این تناوب و همچنین حباب‌های گیرافتاده در حلقه‌های صفحه گرداب، تبدیل صفحه پرتاب را به ریزقطره ها تسریع می کند. این حباب‌ها در صورتی شکل می‌گیرند که صفحه به قطره افتان بخورد. این فروپاشی به ریزقطره‌ها با تصویرهای ویدویی گروه از پاشش‌های حقیقی تطبیق دارد.

مایکل برنر[6] نظریه پرداز دانشگاه هاروارد می گوید:«چیزی که جدید است معابر گردابی است که نه شناخته شده بود و نه قبلا انتظارش داشتیم»، وی که که پاشش قطره‌ها را نیز مطالعه کرده، می‌افزاید:«علی رغم حضور همیشگی، سازوکار پاشش در این موقعیت‌ها حتی به شکل کیفی نیز مشخص نیست.»

تورودسن می‌گوید هدف بعدی مشاهده‌ی شکل‌گیری گرداب به شکل تجربی است. اما چون این پدیده بسیار سریع رخ می‌ دهد - چند میکروثانیه - می افزاید: «تصویربرداری [از این پدیده] کاملا چالش برانگیز است.»

منبع:

Unexpected Turbulence in a Splash, Focus, APS, link.

مرجع:

von Kármán Vortex Street within an Impacting Drop, Marie-Jean Thoraval et.al. , Phys. Rev. Lett. 108, 264506 (2012) link