Kapky šplhající do kopce

Naše babičky prý určovaly teplotu pánve na lívance pomocí kapičky vody. Na horké, ale ještě ne dost rozehřáté pánvi se kapka vody velmi rychle vypaří. Když se však pánev rozehřeje více, vydrží na ní kapička do úplného odpaření mnohem déle. Toto jen zdánlivě paradoxní chování, známé pod názvem Leidenfrostův efekt, není moc těžké vysvětlit. Na vyhřátější pánvi se totiž pod kapičkou vytvoří tenounká vrstva páry, která kapku nadnáší a nedovolí jí dotyk s kovem pánve. Vzhledem k tomu, že vodní pára je podstatně horší vodič tepla než kapalná voda, ohřívá se samotná kapička pomaleji než při přímém styku s pánví, a její odpařování proto také probíhá mnohem pomaleji. Ostatně vytvoření takové „ochranné“ vrstvičky umožňuje provádět různé nebezpečné triky: od chůze po rozžhaveném uhlí a olizování rozžhavených lžic až po ponoření navlhčené ruky do rozžhaveného olova (důrazně žádáme, aby se laskavý čtenář zdržel podobných experimentů, které vyžadují jemné „naladění“ různých parametrů, jako jsou teplota, vlhkost apod.).

V nedávném článku Samohybné Leidenfrostovy kapky ¹⁾ se H. Linke z Univerzity v Oregonu se svými kolegy zabývá chováním kapek na „pánvi“, do jejíhož povrchu jsou vyryty jemné rovnoběžné rýhy. Vrypy mají průřez nesymetrických zubů, připomínajících ozubení rohatky pro napínání tenisové či volejbalové sítě (viz obrázek). V zmíněném experimentu byla vzdálenost sousedních vrypů asi 3 mm a kapky byly dost velké, tak aby přesahovaly do sousedních vrypů. Je-li taková plocha vyhřáta nad Leidenfrostovu teplotu, při které se již kapky udrží na vrstvičce páry, dochází k poměrně rychlému (několik cm za sekundu) samovolnému pohybu kapiček kolmo na vrypy ve směru jejich méně prudkých „břehů“ (na obrázek zprava doleva).

Článek je doprovázen několika filmovými záběry ²⁾ pohybujících se kapiček při různých experimentálních uspořádáních.

Vysvětlení, které autoři podávají, je opět celkem jednoduché. Pára má největší tlak v místě největšího zakřivení pod vydutou částí kapičky (zhruba nad nejvyšším bodem mezi dvěma vrypy) – možná si čtenář vzpomene na Gibbsovu-Thomsonovou formuli udávající, že rozdíl tlaku nasycené páry nad zakřivenou a rovnou hladinou je nepřímo úměrný křivosti zakřivené hladiny. Vzniklý rozdíl tlaků vyhání páru z prostoru pod kapkou ve směru šipek na obrázku. Pára ucházející ve směru většího spádu vrypu (šipka doprava dolů) může lehce uniknout do stran podél nejnižší hrany vrypu. Pára odcházející podél menšího spádu (šipka doleva dolů) proudí poměrně dlouho v úzkém prostoru pod kapkou a „strhává“ kapku ve směru svého pohybu. Výsledkem je již zmíněný pohyb kapky.

Zajímavé je, že při vhodném naklonění celé plochy šplhají kapičky i do poměrně prudké ho svahu. Autoři článku uvažují o využití při chlazení mikroprocesorů. Teplota, při které k jevu dochází, závisí samozřejmě na použité kapalině a na materiálu plochy. Ostatně v referovaném experimentu byla použita kapalina s teplotou varu okolo –20 °C. To umožnilo provádět experiment s „pánví“ udržovanou na pokojové teplotě.