Universal mapping of drop impact spreading from wetting to Leidenfrost regimes
यह शोध पत्र एक सार्वभौमिक ऊर्जा-अपव्यय-आधारित मैपिंग स्थापित करता है जो ओनेसोरज (Ohnesorge) और वेबर (Weber) संख्याओं की एक विस्तृत श्रृंखला में वेटिंग (wetting) और लाइडेनफ्रॉस्ट (Leidenfrost) दोनों режиमों में बूंदों के अधिकतम प्रसार का सटीक पूर्वानुमान लगाता है, जिससे वेटिंग प्रभाव भविष्यवाणियों को उनके लाइडेनफ्रॉस्ट समकक्षों में परिवर्तित करना सक्षम होता है।
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जब तरल की एक बूंद किसी सतह से टकराती है, तो वह केवल रुक नहीं जाती; वह चपटी हो जाती है, फैल जाती है, और फिर अक्सर वापस सिमट जाती है। यह रोजमर्रा की घटना, खिड़की पर गिरती बारिश से लेकर कागज पर पड़ती स्याही तक, बूंद के आगे के संवेग (मोमेंटम), उसकी अपनी सतह की चिपचिपाहट और तरल के आंतरिक घर्षण के बीच चल रहे एक खींचतान द्वारा नियंत्रित होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से समझते आए हैं कि जब तरल सीधे सतह को छूता है, तो यह प्रक्रिया कैसे काम करती है, जिसे 'वेटिंग' (wetting) कहा जाता है। हालांकि, एक अलग और अधिक नाटकीय परिदृश्य तब होता है जब सतह अत्यधिक गर्म होती है। इस स्थिति में, तरल ठोस को बिल्कुल भी नहीं छूता है। इसके बजाय, यह अपनी ही वाष्प की एक पतली, अदृश्य कुशन पर तैरता है, जिसे 'लॉयडनफ्रॉस्ट प्रभाव' (Leidenfrost effect) के रूप में जाना जाता है। यह अवस्था कूलिंग सिस्टम से लेकर ईंधन इंजेक्शन तक की तकनीकों के लिए महत्वपूर्ण है, फिर भी इस तैरती हुई अवस्था में एक बूंद कितनी दूर तक फैलेगी, इसका सटीक अनुमान लगाना एक कठिन पहेली बना हुआ है, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि तैरते हुए बूंद का भौतिक विज्ञान जमीन से चिपकी हुई बूंद से काफी भिन्न होता है।
जेजियांग विश्वविद्यालय और प्रिंसटन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अब इन दो दुनियाओं को जोड़ दिया है। उच्च-गति प्रयोगों को विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ जोड़कर, उन्होंने एक सार्वभौमिक नियम स्थापित किया है जो 'वेटिंग ड्रॉप' के फैलने के व्यवहार को 'लॉयडनफ्रस्ट ड्रॉप' के व्यवहार में अनुवादित करता है। उनका कार्य प्रकट करता है कि दोनों अवस्थाओं के बीच मुख्य अंतर सतह तनाव या बूंद की गति में नहीं, बल्कि इस बात में है कि तरल ऊर्जा कैसे खोता है। जब एक बूंद गीली सतह से टकराती है, तो दीवार के विरुद्ध घर्षण एक ब्रेक की तरह कार्य करता है, जो फैलाव को धीमा कर देता है और नीचे के पास ऊर्जा को नष्ट कर देता है। जब बूंद वाष्प पर तैर रही होती है, तो वह दीवार का घर्षण गायब हो जाता है, जिससे बूंद बहुत अधिक फैल पाती है। टीम ने पाया कि यह अतिरिक्त दूरी यादृच्छिक (रैंडम) नहीं है; यह उस ऊर्जा से सीधे जुड़ी हुई है जो दीवार के घर्षण से बचकर बचाई गई है।
इस संबंध को उजागर करने के लिए, वैज्ञानिकों ने पानी और ग्लिसरॉल के मिश्रण की मिलीमीटर-आकार की बूंदों को एक पॉलिश किए हुए नीलम (सैफायर) डिस्क पर टकराते हुए देखा। कुछ परीक्षणों में, डिस्क कमरे के तापमान पर थी, जिससे बूंदें सतह को गीला कर रही थीं। अन्य मामलों में, डिस्क को 550 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया गया था, जिससे वाष्प का कुशन बन गया। उन्होंने कैमरों के साथ इन प्रभावों को रिकॉर्ड किया जो प्रति सेकंड 4,000 फ्रेम कैप्चर कर रहे थे, और ठीक से ट्रैक किया कि बूंदें विस्तार करने से पहले कितनी चौड़ी हुईं। उन्होंने इन अवलोकनों को उन कंप्यूटर मॉडलों के साथ जोड़ा जो बूंद के भीतर ऊर्जा के अदृश्य प्रवाह की गणना कर सकते थे। सिमुलेशन ने दिखाया कि हालांकि तैरती हुई बूंदों ने दीवार के भारी ब्रेकिंग से परहेज किया, लेकिन उनके भीतर का तरल अधिक उग्र रूप से मंथन करने लगा, जिससे एक प्रकार का नया आंतरिक घर्षण पैदा हुआ जिसने आंशिक रूप से इस लाभ को कम कर दिया। इस आंतरिक क्षतिपूर्ति के बावजूद, तैरती हुई बूंद द्वारा बचाई गई कुल ऊर्जा पर्याप्त और अनुमानित थी।
शोधकर्ताओं ने पाया कि यह ऊर्जा बचत विभिन्न परिस्थितियों में एक सटीक पैटर्न का पालन करती है। उन्होंने अलग-अलग मोटाई और गति वाली बूंदों का परीक्षण किया, जो एक ऐसा दायरा कवर करती है जहाँ तरल का प्रवाह प्रतिरोध एक सौ के कारक तक भिन्न होता है और प्रभाव बल दस गुना तक बदल जाता है। हर मामले में, गीली और तैरती हुई अवस्थाओं के बीच बूंद के फैलने के अंतर की गणना सरल रूप से यह देखकर की जा सकती थी कि गीले मामले में घर्षण के कारण कितनी ऊर्जा नष्ट हुई थी। यह खोज वैज्ञानिकों को किसी भी मौजूदा 'वेट ड्रॉप' के पूर्वानुमान का उपयोग करने और बिना कोई नया, जटिल मॉडल बनाए, उसे तुरंत एक सटीक 'फ्लोटिंग ड्रॉप' के पूर्वानुमान में बदलने की अनुमति देती है।
यह मैपिंग तब भी सही रहती है जब बूंदें बहुत गाढ़ी (विस्कस) हों या बहुत तेज गति से चल रही हों, बशर्ते वे प्रभाव के समय टूट न जाएं। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि "वन-हाफ रूल" (आधा नियम), जो यह सुझाव देता है कि तैरती हुई बूंदें हमेशा अपनी आधी ऊर्जा सतह क्षेत्र में बदल देती हैं, केवल बहुत तेज और पतली बूंदों के लिए सटीक है। अधिक मोटी या धीमी बूंदों के लिए, आंतरिक घर्षण महत्वपूर्ण हो जाता है, और नया मैपिंग इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए यह दिखाता है कि आदर्श सीमा से बूंद कितनी कम फैलती है। यह कार्य बूंदों के प्रभाव को समझने का एक एकीकृत तरीका प्रदान करता है, जो परिचित गीली सतह के छपाके और लॉइडनफ्रॉस्ट बूंद की रहस्यमय फिसलन के बीच के अंतर को पाटता है, जिससे औद्योगिक और थर्मल अनुप्रयोगों में इन प्रभावों को नियंत्रित करने का एक स्पष्ट मार्ग मिलता है।
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