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Die Wissenschaft hinter explodierenden Wassertropfen ist einfacher als wir dachten

Die Wissenschaft hinter explodierenden Wassertropfen ist einfacher als wir dachten


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Die Bestimmung, wie viel elektrisches Feld ein Wassertropfen verarbeiten kann, bevor es platzt, hat Wissenschaftler lange gequält.

Das Konzept scheint einfach zu sein, aber es hat sich bisher als schwierig erwiesen, eine einfache mathematische Formel zu finden, die dieses Phänomen erklärt.

Ein Team von MIT-Wissenschaftlern hat eine einfache Formel zur Bewertung der Stabilität eines elektrifizierten Tröpfchens festgelegt. Es ist so einfach, dass es mit Bleistift und Papier ausgearbeitet werden kann.

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"Vor unserem Ergebnis mussten Ingenieure und Wissenschaftler rechenintensive Simulationen durchführen, um die Stabilität eines elektrifizierten Tröpfchens zu bewerten", sagt der Hauptautor Justin Beroz, ein Doktorand am MIT-Institut für Maschinenbau und Physik.

„Mit unserer Gleichung kann man dieses Verhalten mit einer einfachen Papier-Bleistift-Berechnung sofort vorhersagen. Dies ist ein großer praktischer Vorteil für Ingenieure, die mit einem System arbeiten oder versuchen, ein System zu entwerfen, das Flüssigkeiten und Elektrizität enthält. “

Entdeckung könnte neuen Raumfahrtmethoden helfen

Das Team, das hinter der Entdeckung steht, sagt, dass die neue Formel zu neuen Fortschritten in einer Vielzahl von Bereichen führen könnte, vom Weltraumantrieb über Massenspektrometrie, hochauflösendes Drucken, Luftreinigung bis hin zur molekularen Analyse.

Wassertropfen bilden sich aufgrund der Oberflächenspannung als kleine Kugeln. Diese Kraft bindet Wassermoleküle an der Oberfläche eines Tröpfchens und zieht die Moleküle nach innen, um die Form zu bilden.

Diese perfekte Form kann verzerrt werden, wenn sie anderen Kräften wie einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Die Oberflächenspannung versucht, die Tröpfchenform zu halten, aber die entgegengesetzte Kraft des Feldes zieht die Tröpfchen aus der Form.

"Wenn das elektrische Feld stark genug ist, kann das Tröpfchen irgendwann keine Form finden, die die elektrische Kraft ausgleicht. An diesem Punkt wird es instabil und platzt", erklärt Beroz.

Beroz sagt, sein Team sei an dem Moment interessiert gewesen - kurz bevor das Tröpfchen platzt und wenn es in seiner verzerrtesten Form ist.

Langweiliges Experiment liefert Ergebnisse

Um dies zu untersuchen, führten die Forscher ein Experiment durch, bei dem sie langsam Wassertropfen auf einer elektrifizierten Platte verteilten und die Tröpfchen mit einer Superhochgeschwindigkeitskamera aufzeichneten.

"Das Experiment ist zunächst wirklich langweilig - Sie beobachten, wie das Tröpfchen langsam seine Form ändert, und dann platzt es plötzlich einfach", sagt Beroz.

Zunächst dokumentierte das Team eine Reihe von Tropfen, die die Größe des Tropfens und die Stärke des elektrischen Feldes veränderten. Später wurde jeder Rahmen des Tropfens isoliert, um die Verschiebung der Tröpfchenform zu untersuchen, wenn diese durch das Feld verzerrt wurde. Beroz skizzierte die kritisch stabile Form jedes Tröpfchens kurz vor dem Platzen und berechnete verschiedene Parameter wie Volumen, Höhe und Radius des Tröpfchens.

Dann zeichnete er diese Daten auf und stellte fest, dass sie entlang einer geraden Linie fielen.

"Aus theoretischer Sicht war es angesichts der mathematischen Komplexität des Problems ein unerwartet einfaches Ergebnis", sagt Beroz.

"Es wurde vermutet, dass es eine übersehene und dennoch einfache Möglichkeit gibt, das Burst-Kriterium für die Tröpfchen zu berechnen."

Halte es einfach

Der Schlüssel zur Entdeckung der einfachen Gleichung bestand darin, die Höhe des Tröpfchens zu ignorieren und sich stattdessen auf sein Volumen zu konzentrieren.

„In den letzten 100 Jahren war es die Konvention, die Höhe zu wählen“, sagt Beroz.

„Wenn sich ein Tröpfchen verformt, ändert sich seine Höhe, und daher ist die mathematische Komplexität des Problems mit der Höhe verbunden. Andererseits bleibt das Volumen eines Tropfens fest, unabhängig davon, wie es sich im elektrischen Feld verformt. "


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