Ορισμένα φαινόμενα της καθημερινότητάς μας είναι τόσο συνηθισμένα ώστε δύσκολα φανταζόμαστε ότι κρύβουν πίσω τους αόρατους κανόνες φυσικής. Πάρε για παράδειγμα μια βρύση που στάζει: γιατί το συνεχές ρεύμα νερού τελικά «σπάει» σε μεμονωμένες σταγόνες; Μια ομάδα φυσικών μελέτησε το ερώτημα και κατέληξε σε απρόσμενα συμπεράσματα.
Πώς γίνεται αυτή η μετάβαση της ροής του νερού
Την ανακάλυψη πραγματοποίησαν οι Stefan Kooij, Daniel T. A. Jordan, Cees J. M. van Rijn και Daniel Bonn από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ (Van der Waals–Zeeman Institute / Institute of Physics), σε συνεργασία με τον Neil M. Ribe από το Université Paris-Saclay. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters.
Στην εργασία τους, «What Determines the Breakup Length of a Jet?», οι ερευνητές δείχνουν πειστικά ότι οι αρχικές διαταραχές που οδηγούν στη διάσπαση των λεγόμενων λαμιναριακών υγρών δεσμών δεν προκαλούνται κυρίως από εξωτερικό θόρυβο, αναταράξεις ή ατέλειες του στομίου – όπως συχνά θεωρούνταν για σχεδόν δύο αιώνες.
Αντίθετα, εκτεταμένα πειράματα με μεγάλη ποικιλία υγρών, στομίων και συνθηκών ροής αποκαλύπτουν ότι οι κρίσιμες διαταραχές προέρχονται από ενδογενή θερμικά καπιλιαρικά κύματα: από θερμικές διακυμάνσεις μεγέθους μερικών αγγστρόμ, δηλαδή δεκάτων του εκατομμυριοστού του χιλιοστού.
Η διαδικασία μοιάζει με την κίνηση Brown, όπου τυχαίες μοριακές κινήσεις κάνουν ορατά σωματίδια να «χορεύουν». Στην περίπτωση της υδάτινης δέσμης, αντίστοιχες θερμικές ταλαντώσεις στην επιφάνειά της -ασύλληπτα μικρές- επαρκούν ώστε, μέσω ενίσχυσης από την αστάθεια Rayleigh–Plateau, να οδηγήσουν τελικά στο «σπάσιμο» της δέσμης σε σταγόνες.
Από νανο-δέσμες έως μακροσκοπικές ροές
Η ομάδα επιβεβαίωσε την υπόθεση μέσω ανάλυσης εικόνας των διακυμάνσεων και συστηματικών μεταβολών των παραμέτρων. Βρήκαν εξαιρετική συμφωνία ανάμεσα στο πραγματικό μήκος διάσπασης (breakup length) και σε ένα θεωρητικό μοντέλο βασισμένο αποκλειστικά στον θερμικό θόρυβο-μια συμφωνία που ισχύει σε επτά τάξεις μεγέθους, από νανο-δέσμες μέχρι μεγάλα υδάτινα ρεύματα, όπως αυτά μιας οικιακής βρύσης.
Το έργο αμφισβητεί μια σχεδόν 200 ετών αντίληψη σχετικά με τον ρόλο του εξωτερικού θορύβου στη δημιουργία σταγονιδίων, δείχνοντας ότι ακόμη και σε άριστα απομονωμένα πειράματα, το μήκος διάσπασης καθορίζεται τελικά από έναν θεμελιώδη θερμικό μηχανισμό.
Οι γνώσεις αυτές προσφέρουν νέα θεμελιώδη κατανόηση σε πεδία όπου η δημιουργία σταγονιδίων είναι κρίσιμη, όπως η εκτύπωση inkjet, η τεχνολογία τροφίμων και η εισπνεόμενη φαρμακευτική αγωγή.
Περισσότερες πληροφορίες: Stefan Kooij et al, Τι καθορίζει το μήκος διάσπασης ενός πίδακα;, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/jf6w-l5sy
Πληροφορίες περιοδικού: Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ
