Пытаясь подготовить эксперимент по изучению адгезионных свойств льда, Стефан Дорболо, старший научный сотрудник FNRS по физике, работающий в Льежском университете в Бельгии, уронил кусок льда в форме чашки Петри на гладкий бетонный пол. Его необычное движение, приобретающее, казалось бы, случайное вращение при движении по полу, побудило Дорболо продолжить расследование, где его возможные результаты о левитации льда опубликованы в журнале Physics of Fluids на этой неделе издательством AIP.«Из-за этой аварии история была совершенно иной, — сказал Дорболо. «Вопрос был в том, почему он движется?
Потому что на самом деле это очень распространенная процедура: у вас есть ледяной блок, а затем он тает. Но этого не происходит, например, на пластиковой тарелке. Это происходит только на очень плоском камне. , или на металлической пластине. Это было началом ".
На катке площадь контакта между кромкой лезвия конька и льдом намного меньше, но по той же причине края лезвия конька должны быть гладкими и, как правило, металлическими, в хоккее и фигурном катании, где плавное движение имеет решающее значение.Ключевой областью, представлявшей интерес в этом исследовании, была граница раздела фаз таяния, где поверхность, поддерживающая ледяной диск — будь то гладкий и непористый камень, металл или даже лужа воды — выделяет относительное тепло и быстро тает лед.
Дорболо и его команда ранее изучали динамику таяния такого ледяного диска, когда он покоился на жидкой поверхности воды. Эти движения льда управляются другими взаимодействиями, чем если бы лед лежал на твердой поверхности, но исследования оказались более простым начальным шагом и дали представление о динамике того, как только что талая вода вытекает изо льда.«Основная идея заключалась в изучении таяния ледяного диска на пластине, но мы начали с изучения ледяного диска в ванне», — сказал Дорболо. «На самом деле, когда мы вернулись к таянию ледяного диска на пластине, мы обнаружили совершенно другой механизм».
Эффект напоминает эффект Лейденфроста, в центре внимания многочисленных видеороликов YouTube, где капли воды «ходят» и «танцуют», когда они плавают по гладкой поверхности, достаточно горячей, чтобы быстро вскипятить нижнюю часть капель. Быстрое кипение создает левитирующую подушку из пара (пара) между каплей и поверхностью нагрева, увеличивая подвижность капель.«Это означает, что у вас должен быть термальный резервуар, такой как камень или металлическая пластина, чтобы растопить лед достаточно быстро», — сказал Дорболо. «Таким образом, скорость потока плавления важна. Если ее недостаточно, у вас нет этой смазочной пленки между диском и пластиной, и она не может двигаться.
Вот почему мы сказали, что это похоже на эффект Лейденфроста».Дорболо осторожно указал, что левитирующая жидкая подушка их ледяных дисков не совсем аналогична эффекту плавания, ощущаемому каплями Лейденфроста, хотя их интерес к управлению движением был общим для многих экспериментов с каплями.Конфигурация этого явления твердое-жидкое-твердое, в отличие от конфигурации твердого-газ-жидкость в случае капель, заставила команду сосредоточиться на истечении воды из непрерывно тающего льда, чтобы исследовать управление движением диска.«У вас есть диск, и он должен таять достаточно быстро, чтобы между диском и пластиной оставалась смазочная пленка, а затем из-за этой смазки ледяной диск очень подвижен.
Поэтому, если вы не контролируете плавление, вы увидите движение ледяной глыбы ", — сказал Дорболо.Если вы действительно контролируете таяние, или, более конкретно, поток растаявшего льда возле диска, команда показала, что окончательное вращение и скольжение ледяных дисков можно поддерживать и направлять.Этот контроль был достигнут, по сути, в виде небольшой дыры, проделанной командой Дорболо в поверхности металлической пластины, рядом с плавающим льдом. Отверстие ведет к выпускной трубе, действующей как резервуар, через который вода непрерывно вытекает после плавления на термализованном металле.
Чтобы еще больше сдержать поток воды, команда также использовала осторожное нанесение вазелина на тарелку.Они отслеживали движение данного ледяного диска в форме чашки Петри, используя черный эллипс, застывший на поверхности льда, который был отображен камерой во время эксперимента. Контрастность и асимметричная форма позволили точно контролировать как линейное, так и вращательное движение дисков, которое группа Дорболо затем проанализировала в отношении других данных, таких как температура и скорость потока.
Их выводы дают представление о точных механизмах движения и о том, какие факторы приводят к движению — например, толщина слоя воды или направление кругового потока вокруг края диска. Ученые также подчеркивают, как эффекты жидкости сравниваются с аналогичными эффектами пара на капли в более широко изученном эффекте Лейденфроста.Несмотря на то, что проект расходится с основной целью исследования Дорболо, он признает множество возможных способов продолжения исследования, будь то изменение формы льда или структуры поверхности плиты для воздействия на динамику потока.
Он также уверенно сказал: «У людей будут идеи».