Научный руководитель — Евгений Ильич Могилевский, к. ф.-м. н., доцент каф. физики СУНЦ МГУ
В настоящей работе изучается поведение капли вязкой жидкости, помещенной на горизонтальный вращающийся диск. При достаточно высокой скорости вращения капля теряет осесимметричную форму и распадается. Подобные процессы используются, например, в технологиях производства минеральных и металлических волокон из высокотемпературных расплавов. Цель работы состоит в экспериментальном наблюдении и моделировании этого явления.
Для проведения экспериментов была создана установка, представляющая собой горизонтальный диск, который приводится во вращение электромотором с переменной частотой оборотов. Жидкость помещается в центр диска в виде круглого пятна при помощи стаканчика с вырезанным дном. После запуска мотора диск начинает вращение и наблюдается расползание пятна. Если количество жидкости достаточно мало, то возникает один вырост, в который устремляется вся капля. При использовании большего объема достаточно вязкой жидкости (глицерина) на контуре пятна появляются несколько выростов, которые трансформируются в узкие ручейки. Количество ручейков зависит от скорости вращения и расстояния от места их появления до оси вращения. Процесс течения фиксируется на камеру с частотой съемки 240 кадров/с. Характерная скорость вращения достигает нескольких единиц оборотов в секунду. Теоретически появление ручейков объясняется механизмом неустойчивости Релея-Тейлора (неустойчивость слоя тяжелой жидкости над легкой). Возникновение и размер ручейков определяется балансом сил поверхностного натяжения и центробежной силы.
В ходе эксперимента было установлено, что капля жидкости при вращении диска вокруг своей оси стремится выйти из центра. Более того, жидкость малой вязкости (сопоставимой с вязкостью воды) вытекает в виде отрезка спирали, а жидкость большей вязкости (сравнимой с вязкостью глицерина) вытекает радиально относительно диска. Также при радиусе капли не менее 1,5 см жидкость большей вязкости распадается на несколько ручейков, выходящих из центра диска. В этом случае была экспериментально построена зависимость количества ручейков вязкой жидкости от угловой скорости вращения диска и объёма капли, помещенной на диск. Более того, зависимость количества ручейков от угловой скорости является линейной. Полученные результаты схожи с теоретической оценкой числа каналов, и это подтверждает, что механизм неустойчивости Релея-Тейлора может быть использован для описания разрыва капли на вращающемся диске.