Представьте каплю дождя, ударяющуюся в песок и оставляющую на нем свой след. С первого взгляда кажется, что капля, движущаяся с большей скоростью, оставит более глубокий след. Однако, согласно статье, опубликованной в Physical Review Letters, данное утверждение не всегда истинно.
Исследование воздействия ударов твердых тел о поверхности, покрытые сыпучим материалом, - достаточно распространены и востребованы. Свое применение они могут найти не только в качестве подраздела материаловедения, но и, например, в астрономии. Эксперименты, проводимые в рамках разрабатываемых теорий, позволяют воспроизвести различные виды кратеров, наблюдаемых на телах Солнечной Системы.Гораздо менее изученная ситуация – когда твердое тело заменено каплей жидкости, способной изменять форму при взаимодействии с поверхностью. Каким образом будут взаимодействовать две деформированные субстанции? Еще в 1850 году геологи предположили, что некоторые окаменелые деформации мелкого песка могли быть вызваны падением капель воды. Но для доказательства этого предположения необходимо было глубже изучить формы, которые вода способна создавать на поверхности сыпучего грунта.
С этой целью исследователи из Kyushu University (Япония) рассматривали капли воды, падающие с разной высоты на поверхность, покрытую сухим гранулированным материалом (карбидом кремния). Размер гранул варьировался от 4 до 50 микрон. При падении с высоты от 10 до 480 мм, капли оставляли «кратеры» порядка 4,8 мм в диаметре. Ученые наблюдали различные формы кратеров, в зависимости от высоты падения воды и размера гранул. Для измерения использовалась лазерная система, позволяющая определить глубину и диаметр кратера.
Оказывается, капли, обладающие средней скоростью в момент соударения с деформируемым «грунтом», оказывают меньше влияния на поверхность, нежели слишком быстрые или медленные капли. При низких скоростях падения капли и маленьких размерах гранул сыпучего материала вода лишь несколько «уплотняла» поверхностный слой гранул, образуя «вмятину» порядка 1,5 мм глубиной. А самые глубокие кратеры образуются при высоких скоростях падения капли (и мелких гранулах поверхности); в данном случае глубину можно оценить в 2 мм. При этом для крупных гранул при тех же параметрах эксперимента кратеры оказались заведомо меньшими.
На основе проведенных экспериментов научная группа предложила формулу, определяющую радиус получающегося на «сыпучей» поверхности кратера, в зависимости от скорости падения капли и характерных размеров гранул. Было обнаружено, что размеры кратера пропорциональны двум величинам. Первая величина – это соотношение плотностей воды и гранулированного материала. Если плотность гранул больше плотности воды, то капля оказывает большее воздействие, соответственно, формируя больший кратер (по сравнению со случаем гранул низкой плотности). Вторая величина – это константа, названная числом Вебера, позволяющая учесть влияние поверхностного натяжения. Большие или быстро движущиеся капли имеют большее значение числа Вебера, соответственно, окажут большее воздействие на поверхность.
Найденная зависимость позволит в будущем интерпретировать возможные признаки воды в окаменелостях как на Земле, так и на других планетах. Кроме того, исследование открывает дополнительные грани не полностью изученных процессов взаимодействия деформируемых сред.
