前面有一篇文章进行了纤维上凝结的液滴的表面轮廓分析。给出了由于力学平衡下处处曲率相等的液体表面的轮廓方程。比如在半径为b的超亲水纤维上,给出了其水滴的表面轮廓形貌满足:
详见:
阿黄sweetgirl:纤维上悬挂液滴的自由界面轮廓分析?zhuanlan.zhihu.com
下面 我们两种表面曲率半径为0的气液界面,去推导其界面的方程。
1. 对于一个半径为b的超亲水圆柱形纤维,当其插入水池中时,由于毛细作用,水面会上升,如图1所示。
这时,如果忽略重力作用,那么上升的液体中压强和水池中的水的压强时相等的。即拉普拉斯的附加压力为零,△P=0.
假设纤维是亲水的,则正好满足公式1中的方程,只需要把△P=0.带入即可算得:
类似的是,公式2也可以从力分析的角度与得到。表面力在竖直方向上的投影的合力应该是为零的。
即
由于
即可直接得到公式2。通过解公式2,可以得到液体界面的轮廓方程为:
恰好为为悬链曲线。
2. 另外忆中曲率为0的界面是Plateau的实验中的肥皂膜。当两个亲水的铜环并在放在肥皂液里沾一下浸湿。然后在空气中缓缓分开它,就形成了图2所示的肥皂膜。
由于此结构是内外贯穿的,所以内外压强相等,附加压力为零。跟上一个情形类似分析,依然有两种思路。首先找到自由界面的方程,然后求解,利用边界条件得到其具体解。同样也可以从受力分析的角度。由于液膜的每一部分在x轴上受力时平衡的,在任意位置,满足
即可得出液面的方程为:
把边界条件x=D带入,可以得到
这个方程解出Rm的值。这个值有两个,分别对应表面积最大和最小的时候。当满足R/D=1.509时,这两个值相等。当小于1.509时,解不存在,这时因距离太远,膜破裂了。
其实,曲率为零的界面还有很多可能,比如下面正方形结构以及螺旋形结构的膜。
参考:De Gennes, P. G., Brochard-Wyart, F., & Quéré, D. (2013).Capillarity and wetting phenomena: drops, bubbles, pearls, waves. Springer Science & Business Media.