水滴がプールに落ちる際の高速度ビデオによる詳細な解析(High-speed videos show what happens when a droplet splashes into a pool)

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2025-02-21 マサチューセッツ工科大学(MIT)

マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究チームは、高速カメラを用いて、水滴が深い水面に落下した際の詳細な挙動をミリ秒単位で記録しました。この研究により、雨や灌漑システムの水滴が水面に落ちる際、表面の粒子や病原体がどのように空気中に放出されるかを予測する手助けとなり、産業、農業、公衆衛生などの分野での応用が期待されています。実験では、さまざまなサイズや高さから水滴を水面に落とし、その際の液体の変形を観察しました。結果として、すべての実験で共通のスプラッシュの進行が見られ、滴が水面に衝突すると、表面下に「クレーター」や空洞が形成され、同時に液体の壁が表面上に立ち上がり、クラウン(王冠)状の形状を作り出しました。興味深いことに、クラウンが最大の高さに達する前に、小さな二次的な水滴がクラウンから放出されることが観察されました。この一連の現象は、ほんの一瞬の間に起こります。

<関連情報>

液体プールの水しぶき:キャビティとシートの連成非定常ダイナミクス Splash on a liquid pool: coupled cavity–sheet unsteady dynamics

R. Dandekar,N. Shen,B. Naar and,L. Bourouiba
Journal of Fluid Mechanics  Published:27 December 2024

Abstract

水滴がプールに落ちる際の高速度ビデオによる詳細な解析(High-speed videos show what happens when a droplet splashes into a pool)

Splashes from impacts of drops on liquid pools are ubiquitous and generate secondary droplets important for a range of applications in healthcare, agriculture and industry. The physics of splash continues to comprise central unresolved questions. Combining experiments and theory, here we study the sequence of topological changes from drop impact on a deep, inviscid liquid pool, with a focus on the regime of crown splash with developing air cavity below the interface and crown sheet above it. We develop coupled evolution equations for the cavity–crown system, leveraging asymptotic theory for the cavity and conservation laws for the crown. Using the key coupling of sheet and cavity, we derive similarity solutions for the sheet velocity and thickness profiles, and asymptotic prediction of the crown height evolution. Unlike the cavity whose expansion is opposed by gravitational effects, the axial crown rise is mostly opposed by surface tension effects. Moreover, both the maximum crown height and the time of its occurrence scale as We5/7<?XML:NAMESPACE PREFIX = “[default] http://www.w3.org/1998/Math/MathML” NS = “http://www.w3.org/1998/Math/MathML” />We5/7. We find our analytical results to be in good agreement with our experimental measurements. The cavity–crown coupling achieved enables us to obtain explicit estimates of the crown splash spatio-temporal unsteady dynamics, paving the way to deciphering ultimate splash fragmentation.

0106流体工学
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