Зигзагообразный поток воды вдоль вертикального стеклянного окна

Это предположение:

Если стакан изображается в виде квадрата, где у — вертикаль, а х — горизонталь, то это процесс случайного блуждания в направлении х, а гравитация ограничена в направлении у.

Хаотичность возникает из-за пыли и других налипаний даже в самом чистом стекле. Гравитация тянула бы одну каплю прямо вниз, но по пути капля случайным образом сталкивается с разрывом, который разрушает поверхностное натяжение в этой точке, давая изменение направления.

Когда капель много, как в дожде, я ожидаю, что они следуют по каналу разрывов, и случайность подавляется гравитационной вертикальной силой, ограниченной каналом, который вы описываете. В каждом канале могут возникать более крупные случайные разрывы, что может привести к описанному вами эффекту.

Вот несколько работ, посвященных задаче о движении капли по поверхности. По-видимому, существует два вида движения в зависимости от того, смачивает жидкость поверхность или нет. Скольжение и перекатывание. Но деформация контактной линии и разрушение капель, по-видимому, также имеют значение. Тема слишком широка, чтобы ее можно было просто объяснить (при условии, что я мог бы) здесь.

http://fluids.snu.ac.kr/publication/sliding.pdf . http://www.pmmh.espci.fr/fr/gouttes/Publications_files/Rolling%20drops.pdf http://archives.njit.edu/vol01/etd/2000s/2008/njit-etd2008-076/njit-etd2008 -076.pdf (стр. 25) http://stilton.tnw.utwente.nl/people/snoeijer/Papers/2011/WinkelsEPJST11.pdf

Странное поведение: http://journals.cambridge.org/action/displayAbstract;jsessionid=585FC36C71A59060B2028AD639A8D40A.journals?fromPage=online&aid=391658

Может ли это быть вызвано микроскопическими дефектами/примесями в самом стекле? Невооруженным глазом стекло может показаться чистым и безупречным; для текучей жидкости, такой как стекло, комбинация примеси и (в вашем сценарии), возможно, внезапный ветерок может вызвать мгновенное отклонение пути.

TL;DR капля пересекает поток, временно отклоняя его.

Стекло неоднородно из-за поверхностных загрязнений, таких как масло и грязь. Это заставляет энергию связи между водой и стеклом варьироваться в зависимости от местоположения. Капля, которая приземлится на стекло одним краем в месте с высокой энергией связи, а противоположным краем в месте с низкой энергией связи, будет двигаться от низкой энергии к более высокой энергии.

Предположим, что существует равномерное распределение очень мелких капель, попадающих на вертикальное оконное стекло. Сначала все капли будут просто двигаться, чтобы максимизировать свою энергию связи, и скольжение по стеклу потребует потери большей энергии связи, чем они получат от гравитации. Таким образом, все капли прилипают к окну.

По мере того, как капли продолжают падать, часть земли перекрывается каплями, которые уже были там. Эти капли преобразуются, чтобы приспособиться к новому объему и массе. Они могут даже немного соскользнуть вниз, к большему уступу энергии связи. Их новая потеря/прирост энергии связи при скольжении должна быть пропорциональна диаметру, поскольку изменяется только периметр капли. Однако выигрыш энергии от гравитации пропорционален кубу диаметра. Это означает, что по мере того, как капли становятся больше, сила тяжести будет преобладать и тянуть каплю вниз по стеклу.

Если вы посмотрите на верхнюю часть стекла, где вода не стекает, это почти все, что вы увидите, капли становятся все больше и больше, пока не соскальзывают вниз по стеклу. Если есть области с особенно высокой и низкой энергией связи, вы даже увидите, что капли имеют тенденцию расти в одних и тех же местах.

Однако для длинных оконных стекол эти скользящие капли будут сталкиваться с другими каплями, становясь еще больше. Всякий раз, когда эти скользящие капли ударяются о каплю, которая находится немного в стороне, она будет притягиваться к этой капле, немного отклоняя свой путь. Кроме того, поверхностные энергии связи по-прежнему будут притягивать каплю, так что она стремится следовать по траектории с высокой энергией связи.

В конце концов капля становится такой большой и движется так быстро, что у нее начинает расти хвост, где вода все еще хочет прилипнуть к стеклу, а уменьшенного поверхностного натяжения большой кривизны недостаточно, чтобы оторвать ее. Другая капля, попадающая в хвост, сразу же направляется к нему, поскольку уже смоченная поверхность действует как область с чрезвычайно высокой энергией связи. Именно этот процесс собирает капли в потоки.

Эти потоки, как правило, идут прямо вниз, слегка отклоняясь, чтобы воспользоваться преимуществами областей с более высокой энергией связи. Причиной внезапного бокового следа потока является временная область высокой энергии связи в виде капли. В то время как все потоки стекают по стеклу, в областях между потоками все еще накапливаются постоянно растущие капли. Когда одна из этих капель вырастает до такой степени, что попадает в поток, поток отклоняется.

На видео видно, что капли, падающие на окно, не все могут быть крошечными, и, таким образом, этот процесс ускоряется за счет случайного появления больших капель, но те же эффекты можно наблюдать (возможно, более отчетливо), распыляя мелкодисперсный туман на кусок. стекла.

Я почти уверен, что это явление называется гидродинамической нестабильностью . Это повсеместное явление в гидромеханических процессах. Ваш случай может быть неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца , но не цепляйте меня за это.