Измерить рельеф поверхности воды можно при помощи фотоаппарата

Ученые физического факультета МГУ предложили новый вариант теневого фонового метода для измерения рельефа поверхности жидкости. Для этого пригодится фотоаппарат, подсвеченный фоновый экран и сосуд с исследуемой жидкостью. Результаты опубликованы в журнале Experimental Thermal and Fluid Science – сообщает пресс-служба физического факультета МГУ.

При помощи предложенного метода можно исследовать гравитационно-капиллярные волны, которые встречаются фактически везде, где есть течение жидкости со свободной поверхностью. Новый метод основан на компьютерном сравнении двух изображений отражения фонового экрана на поверхности жидкости, где один снимок – отражение с жидкостью в спокойствии, и второй – в момент волнения. Искривление поверхности приводит к искажению изображения, так же, как и при образовании лунной дорожки на поверхности моря – сравнивает пресс-служба. Видимое смещение элементов изображения пропорционально локальному углу наклона поверхности, что позволяет рассчитать мгновенную карту рельефа поверхности.

«Чрезвычайно простая экспериментальная установка состоит лишь из фотоаппарата, подсвеченного фонового экрана, и сосуда с исследуемой жидкостью. Метод имеет очень высокую чувствительность и позволяет измерять возмущения поверхности с амплитудой порядка нескольких микрон, причем, в отличие от ранее предложенных методов, измерения можно проводить и в непрозрачных жидкостях», — рассказал старший научный сотрудник отделения экспериментальной и теоретической физики физического факультета МГУ Николай Винниченко.

Метод поможет лучше исследовать волны в тонких пленках, которые служат при охлаждении жидкости сильно нагретых поверхностей (например, стенок камер сгорания ракетных двигателей на жидком топливе, стенок ядерных реакторов, процессоров в некоторых суперкомпьютерах) и для очистки жидкости путем разделения на испаряющуюся и неиспаряющуюся части.

Пресс-служба МГУ добавляет, что с помощью нового метода учёные провели измерения формы поверхности при распространении гравитационно-капиллярных волн, определили зависимость коэффициента затухания волн от частоты, и измерили изменения формы поверхности различных жидкостей при взаимодействии с конвективной струей от расположенного под поверхностью линейного источника тепла. Учёные выяснили, что всплывающая на поверхность нагретая жидкость имеет не только меньшую плотность, но и меньший коэффициент поверхностного натяжения, поэтому могут присутствовать два механизма конвекции: термогравитационный и термокапиллярный. Термогравитационная конвекция, связанная с изменением плотности, приводит к вспучиванию нагретого участка поверхности, а термокапиллярная, связанная с изменением коэффициента поверхностного натяжения, уносит часть жидкости с него в стороны. Измерения рельефа поверхности позволяют судить о соотношении влияния двух типов конвекции.

Авторы иллюстрации: А. Винниченко, А. Пуштаев, Ю. Плаксина, А. Уваров/Физический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова