[发明专利]一种预测液滴撞击超疏水悬臂梁撞后抛物线轨迹的方法和应用

说明书

本发明公开了一种预测水滴撞击超疏水悬臂梁撞后抛物线轨迹的方法和应用，通过对撞击条件参数如液滴撞击的位置P、水滴的撞击速度U、接触时间tsubgt;c/subgt;、悬臂梁最大振幅A、振动频率ω等参数的统计，结合欧拉‑伯努利方程的推导以及相关的理论知识，可以对水滴撞击超疏水柔性悬臂梁的取向弹跳的撞后轨迹进行预测，该方法计算的轨迹与实际吻合度高，可以为液滴取向弹跳定向传输物质、信息、能量等领域的研究提供指导。

技术领域

本发明属于物理学技术领域，主要的应用领域为液滴撞击取向弹跳领域，具体涉及一种预测液滴撞击超疏水悬臂梁撞后抛物线轨迹的方法和应用，可能可以通过这种方式对液滴或物质进行精准传输，或者对植物叶片病原体、孢子等的传播有指导意义。

背景技术

液滴撞击固体表面现象广泛存在于自然界、日常生活中并在工农业生产领域应用广泛，如喷墨打印、液滴发电、自清洁、防结冰、农药喷洒等，操控液滴撞后行为和轨迹对物质、信息、能量的传输有重要的指导意义。在过去，可以通过构筑基底结构、浸润性、带电荷的梯度表面，使得液滴在撞后可以进行取向弹跳，用以传输物质、能量和信息。然而液滴在自然界中的撞击运动机理可能不同，比如普遍存在的昆虫的翅膀和植物的叶片，呈单端固定、悬空而立，随风而动，液滴撞击这样一种弹性悬臂梁的现象在自然界普遍存在，它们在液滴撞击时可发生大挠度弯曲并具有回弹性，且液滴撞后可能会发生振动，这些都增加了研究的复杂性和难度，对于操控液滴撞后行为的难度和挑战性也随之增加。

鉴于液滴撞击悬臂梁表面现象的复杂性，预测液滴撞击超疏水悬臂梁撞后抛物线轨迹的方法是科学家和研究者一直追求的目标。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种预测液滴撞击超疏水悬臂梁撞后抛物线轨迹的方法和应用，该方法与实验数据吻合度高，预测准确性好。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种预测液滴撞击超疏水悬臂梁撞后抛物线轨迹的方法，它主要包括以下步骤：

1)、根据欧拉-伯努利梁横向自由振动方程：

其中，E为悬臂梁的弹性模量，I为惯性矩，得到通解后，再利用梁的边界条件进行求解，得到撞击点位置在t时刻的挠度为：

δ(t)＝Asin(ωt+θ₀)+δ₀         (2)

其中θ₀为初始相位，δ₀平衡位置挠度，A为最大振幅，m₀为液滴的质量，g为重力加速度，P为液滴撞击的位置，α为基底倾斜角度；

2)、对挠度无量纲化分析，可得：

根据P的不同，当P在12mm处时，U0.059m s^-1时，此时忽略相对平衡位置δ₀/A和θ₀，公式(2-5)可简化为：

公式(4)是水滴撞击柔性悬臂梁过程中的固液耦合运动的规律方程；

3)、水滴撞击在柔性超疏水悬梁臂上，以离开点为零点时，大部分情况下，符合物理学中的抛物线运动，其抛物线方程方程为：

4)、以基底的固定端为零点，将抛物线轨迹分解为水平方向的匀速运动(2-9)和竖直方向的匀减速运动(2-10)，其轨迹方程为：

x＝v₀ cosθ+x₀ (6)