Cienka warstwa cieczy może wyraźnie zmienić odbicie, choć prawie nie zmienia masy obiektu
Odbicie nie zależy wyłącznie od masy i sprężystości suchego materiału. Gdy między zderzającymi się powierzchniami znajduje się cienka warstwa cieczy, płyn musi zostać wyciśnięty, rozciągnięty lub zerwany podczas kontaktu. Lepkość, bezwładność cieczy i siły powierzchniowe mogą rozpraszać część energii, zmniejszając współczynnik restytucji. Eksperymenty z kulkami odbijającymi się od mokrych powierzchni pokazują, że grubość filmu, prędkość uderzenia i właściwości płynu silnie wpływają na wynik. To dlatego „prawie ta sama masa” nie oznacza „prawie identycznego odbicia”.
Współczynnik restytucji opisuje prędkość po zderzeniu
W najprostszym ujęciu porównujemy prędkość rozchodzenia się po zderzeniu z prędkością zbliżania przed nim. Dla mokrego kontaktu wartość ta może być mniejsza niż dla suchego, ponieważ dodatkowa część energii ruchu względnego jest rozpraszana w cieczy.
Ciecz trzeba usunąć ze szczeliny
Podczas zbliżania powierzchni płyn w cienkiej warstwie jest ściskany geometrycznie i musi odpłynąć na boki. Jeśli ma lepkość, przepływ wymaga pracy. Przy szybkim uderzeniu pojawiają się także efekty bezwładności płynu. Te procesy mogą pochłaniać energię, która w suchym zderzeniu byłaby dostępna do sprężystego odbicia.
Po zderzeniu może powstać mostek cieczowy
Gdy powierzchnie zaczynają się rozdzielać, ciecz może tworzyć mostek. Napięcie powierzchniowe i lepkość przeciwdziałają rozrywaniu takiego połączenia. W niektórych warunkach obiekt odbije się słabiej, w innych może nawet pozostać przyklejony. Dokładny wynik zależy od skali, materiałów i prędkości.
Grubość warstwy jest parametrem fizycznym, nie kosmetycznym
Badania w Physical Review E wykazały istotny wpływ stosunku grubości filmu cieczy do rozmiaru cząstki. Nawet jeśli sama masa dodanej cieczy jest niewielka, geometria cienkiej szczeliny może generować znaczące siły hydrodynamiczne podczas bardzo krótkiego zderzenia.
Dlaczego mokra piłka w sporcie jest trudniejszym problemem
Dla prawdziwej piłki dochodzą rotacja, odkształcenie powłoki, chropowatość, nierównomierny film wody oraz kontakt styczny. Nie można więc z badań idealnych kulek wyprowadzić jednej uniwersalnej reguły dla każdego sportu. Pewny wniosek jest skromniejszy, ale ciekawy: cienka ciecz w strefie kontaktu może radykalnie zmienić bilans energii i sił bez dużej zmiany masy całego obiektu.
Dlaczego prędkość uderzenia zmienia znaczenie warstwy cieczy
Siły lepkościowe w cienkiej warstwie nie skalują się z ruchem tak samo jak bezwładność cząstki. Badacze opisują tę konkurencję między innymi liczbą Stokesa, która porównuje bezwładność cząstki z efektami lepkimi płynu. Przy dużej bezwładności i odpowiednio cienkim filmie obiekt może nadal odbić się wyraźnie, natomiast przy warunkach, w których lepkość dominuje, znaczna część energii zostaje rozproszona i odbicie zanika. Grubość filmu również nie jest tylko „ilością dodatkowej masy”: zmienia drogę, na której płyn jest wyciskany i siły hydrodynamiczne w szczelinie. W zderzeniach skośnych dochodzi ruch styczny i rotacja, więc ciecz wpływa osobno na normalny i styczny transfer pędu. To pokazuje, dlaczego intuicja z suchego odbicia piłki może zawodzić nawet przy cienkiej mokrej powierzchni. Zjawisko ma znaczenie w procesach granularnych, gdzie cząstki pokryte cieczą zderzają się tysiące razy i pojedyncza zmiana współczynnika restytucji może zmieniać zachowanie całej mieszaniny. Mała warstwa płynu może więc wpływać na dynamikę makroskopową nie przez ciężar, lecz przez fizykę krótkiego kontaktu.
Mokra warstwa może też zmieniać rotację
W zderzeniu skośnym ciecz wpływa nie tylko na ruch prostopadły do powierzchni. Ścinanie w filmie może przenosić moment i zmieniać prędkość obrotową cząstki, a mostek cieczowy podczas rozdzielania może działać przez krótki czas po samym kontakcie mechanicznym. Badania mokrych zderzeń rozróżniają dlatego normalne i styczne współczynniki restytucji. Dla piłki sportowej oznacza to, że wilgoć może zmienić nie tylko wysokość odbicia, ale także relację między odbiciem a rotacją.