Нестабильность тонких пленок под действием внешних сил

Гидродинамические неустойчивости могут возникать не только в жидкостях, но и в разнообразных мягких материалах. Одна из таких неустойчивостей, возникающая в тонких пленках мягких материалов, активно изучается в последнее время. В заметке мы рассказываем об этих исследованиях, делая попутно экскурс в теорию нестабильности.

Что такое нестабильность?

Что такое нестабильность системы в самом широком смысле? Это неспособность системы сохранять равновесие. Например, карандаш, поставленный на острие, неизбежно падает. И хотя теоретически существует положение равновесия - строго вертикальная ориентация карандаша - в жизни оно никогда не наблюдается. Причина проста: силы, возникающие при смещении карандаша из положения равновесия, стремятся не вернуть его в это положение, а усилить это смещение, а значит, любое начальное микроскопическое отклонение от равновесия будет быстро усиливаться со временем. Именно такое положение равновесия и называется неустойчивым, а про систему, попавшую в такое положение, говорят "нестабильная".

Понимание того, когда система находится в стабильном, а когда в нестабильном состоянии, безусловно, очень важно. Скажем, вы теоретически вычислили, что некоторая конструкция будет находиться в положении равновесия при таких-то и таких-то параметрах. Вы ее построили и обнаружили, что вместо того, чтобы ровно стоять, конструкция рушится прямо на глазах. Вывод: то положение равновесия, которое вы нашли теоретически, оказалось неустойчивым, нестабильным.

В случае твердого тела все было достаточно просто: движение твердого тела описывается с помощью относительно несложных уравнений, и в большинстве случаев поведение системы можно понять, даже их и не решая. Совершенно иная ситуация с жидкостями. Жидкость - система с огромным числом степеней свободы, именно это и делает ее поведение столь разнообразным. И одно из проявлений этого - существование множества интересных (и порой совершенно неожиданных) типов нестабильного поведения жидкости.

Общие свойства нестабильности на примере неустойчивости Рэлея-Тэйлора

Основные черты развития нестабильности в жидкости можно проиллюстрировать на конкретных примерах. Рассмотрим две жидкости, находящиеся в сосуде (Рис.1а). Пусть более тяжелая жидкость расположена наверху, а граница их раздела абсолютно плоская. Такая ситуация, конечно же, невыгодна с точки зрения потенциальной энергии всей системы. Значит, более тяжелая жидкость будет стараться опуститься вниз. Однако просто так опуститься она не может: ведь она должна куда-то вытеснить находящуюся под ней более легкую жидкость. Как она может это сделать? Ответ известен всем из жизненного опыта: в одной части сосуда тяжелая жидкость будет опускаться вниз, а в другой будет всплывать легкая жидкость (Рис.1б).

Но тут опять не все так просто: ведь для того, чтобы такой процесс начался, нужно, во-первых, чтобы возник "зародыш", то есть небольшое начальное отклонение границы раздела от абсолютной плоскости, а во-вторых, чтобы это отклонение самопроизвольно усиливалось. Первое условие выполняется всегда: ведь все вещества состоят из движущихся молекул, и если где-то какая-то молекула случайно "выбилась" из своего вещества - вот вам и начальное отклонение. А вот со вторым условием все гораздо хитрее.

При небольшом отклонении жидкости от равновесия обычно существуют два класса сил (Рис.2): силы, которые стараются вернуть жидкость обратно в положение равновесия (стабилизирующие силы), и силы, пытающиеся увести систему как можно дальше от положения равновесия (дестабилизирующие силы). В нашем случае к первому классу сил относится сила поверхностного натяжения. Эта сила старается минимизировать поверхность раздела двух жидкостей, выпрямить ее (Рис.2а). Ко второму классу относится сила тяжести: Земля притягивает тяжелую жидкость сильнее, и потому усиливает отклонения (Рис.2б). Итак, мы видим, что динамика жидкости в данном примере определяется противоборством двух конкурирующих сил. Важно еще и то, что обе эти силы одинаковым образом (линейно) зависят от величины отклонения. Поэтому оказывается, что та сила, которая "перевешивает" при небольшом отклонении, будет перевешивать и при любом другом отклонении. То есть, если возвращающая сила оказывается больше, все случайные отклонения от положения равновесия будут "гаситься", а значит, равновесие сохранится. Если же поверхностное натяжение не столь сильно, то преобладать будет сила тяжести, а значит, любое, даже самое маленькое возмущение будет быстро усиливаться, пока, наконец, не перерастет в течение, охватывающее всю систему. Именно такая ситуация и называется неустойчивостью Рэлея-Тэйлора.

В жидкости существует еще много других типов неустойчивости (см. ссылку [1]). Однако для всех них характерно описанное выше противоборство двух типов сил. И от того, какая из этих сил победит, зависит дальнейшая эволюция жидкости.

Неустойчивость тонких пленок

Изучая вопрос гидродинамической устойчивости, ученые долгое время интересовались исключительно обычными, ньютоновыми жидкостями (про ньютоновы и не-ньютоновы жидкости мы писали в статье "Жидкость с памятью"). А ведь текучестью, а значит, и всеми гидродинамическими явлениями в полной мере обладают и так называемые пластические жидкости: гели, пасты, пены, то есть вещества, начинающие течь под действием достаточно большой внешней силы.