Ворсистые поверхности уменьшили вязкое сопротивление жидкостей

Ворсистые поверхности уменьшили вязкое сопротивление жидкостей

Группа гидродинамиков из Массачусетского Технологического Института изучила, как ворсистость поверхности влияет на свойства текущей вдоль нее жидкости. Оказалось, что изгибание ворсинок приводит к достаточно сложному, но вполне определенному изменению течения. Это помогает защитить поверхность от дополнительной нагрузки со стороны потока и позволяет управлять вязким сопротивлением. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Биомехаников из различных областей всегда интересовало, как наличие гибких элементов на различных поверхностях влияет на поток жидкости или газа вдоль них. В случае больших размеров, больших скоростей и маленьких вязкостей такая ситуация описывает, например, ветер, дующий вдоль леса или поля. Обратная ситуация — большие вязкости и маленькие размеры — описывает поверхности, находящиеся внутри человеческого тела: стенки сосудов, поверхность языка или первичные реснички на клетках почек. И если первый случай изучен уже довольно давно (там доминируют эффекты, связанные с инерцией воздушной среды), то для второго все несколько сложней. В этом случае из-за деформации образованного ворсинками «волосяного слоя» жидкость вблизи поверхности начинает вести себя как неньютоновская, и ее вязкость становится зависимой от скорости, что значительно усложняет изучение задачи.

В своей новой работе гидродинамики предложили теорию, которая описывает взаимное влияние ворсинок и жидкости друг на друга, и проверили ее с помощью лабораторного эксперимента, в котором наблюдали за течением вязкой жидкости вдоль поверхности, покрытой упругими волосками микронного размера. Сложность задачи состояла в том, что течение жидкости вокруг таких ворсинок приводило к их деформации, что в свою очередь изменяло картину течения. Для упрощения решения такой совместной нелинейной задачи ученые сделали допущение, что все напряжение в процессе изгиба ворсинки приходится только на ее кончик.

Оказалось, что для каждой конкретной геометрии волосяного слоя (длины, толщины и густоты волосков) и масштаба течения можно выделить три основных режима в зависимости от скорости жидкости. В случаях очень маленькой или очень большой скорости задача упрощается, и ворсинки принимают одну из двух устойчивых конформаций (слабо или сильно деформированных, соответственно), для которых деформация линейно связана с напряжением. Наибольший же интерес вызвала область промежуточных скоростей, при которых ворсинки из-за стремления снизить свое вязкое сопротивление переходят из одной конформации в другую. Диапазон скоростей, при которых происходит смена конформации, зависит от длины волосков: так, для длинных ворсинок эта область достаточно широкая, а для совсем коротких — не наблюдается вовсе.

Связав параметры течения (в частности, вязкое сопротивление) с геометрией волоска в состоянии смены конформации, ученые обнаружили, что зависимость снижения сопротивления от скорости имеет довольно сложный нелинейный характер. Было предположено, что в живых организмах это помогает защитить поверхность от избыточных нагрузок, что может оказаться важным, например, для довольно чувствительных аппаратов механотрансдукции, которые преобразуют механическое воздействие на ткань в клеточные сигналы.

Кроме вертикальных ворсинок, ученые также расмотрели ситуацию, когда они выходят из поверхности под определенным углом. Так, предложенная модель предсказывает увеличение сопротивления для течения жидкости «против шерсти» и уменьшение сопротивления для течения «по шерсти» и количественно согласуется с экспериментальными данными. Это наблюдение предполагает возможное использование ворсистых поверхностей, например, в микрофлюидике, где они могут применяться в качестве управляемого элемента насоса или создания гидродинамического диода, в котором вязкое сопротивление в микроканале сильно зависит от направления течения.

Такие гидродинамическими диоды из ворсистых материалов помогут в дальнейшем упростить схему и увеличить эффективность микрофлюидных чипов для разделения клеток или медицинского экспресс-анализа, о которых мы писали ранее.

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>