12 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Почему капля шар

Почему капля воды имеет форму шара

Образование капли

Мы привыкли к мысли о том, что капля имеет форму шара. На самом деле она почти никогда не является шаром, хотя эта форма обеспечивает наименьший объем.

Капля, покоящаяся на горизонтальной поверхности сплющена. Сложную форму имеет падающая в воздухе капля. И только капля, находящаяся в состоянии невесомости принимает сферическую форму.

В Большой Советской энциклопедии приведены мгновенные фотографии падающих капель дождя. В частности, капля диаметром 6 мм имеет форму, близкую к форме шляпки гриба; капли меньшего диаметра имеют форму, близкую к шару.

Образование капли может быть описано тремя характерными состояниями. Состояние А соответствует началу образования капли: поверхность жидкости у конца трубки горизонтальна, радиус её кривизны очень велик, силы поверхностного натяжения направлены перпендикулярно стенке трубки и не препятствуют вытеканию жидкости. Через короткое время капля переходит в состояние Б, которое характеризуется наибольшей лапласовской силой, которая замедляет скорость образования капли, а следовательно, и скорость вытекания. В этом состоянии радиус кривизны поверхности r. Затем объём капли увеличивается, она переходит в состояние В, которое характеризует основной этап формирования капли: лапласовская сила велика, но меньше, чем в состоянии Б, и в дальнейшем ещё убывает с увеличением радиуса капли; время накопления необходимой для отрыва массы велико по сравнению со временем перехода из состояния А в состояние Б, скорость вытекания ещё уменьшается.

Радиус капли

Падение капли дождя, в силу относительности механического движения, можно, в первом приближении, заменить парением капли в восходящем потоке воздуха.

Мы повторили эксперимент, описанный в журнале . Капли помещали в воздушную струю посредством медицинского шприца. Для этого конец иглы помещали в струю воздуха, и, медленно выдавливая из шприца воду, получали капли различного объема. Капли, за счет смачивания, могут некоторое время удерживаться на игле. В этот момент уже можно хорошо пронаблюдать форму капель. Спустя некоторое время капля срывается с кончика иглы и на несколько секунд зависает в воздухе. Это время оказывается достаточным для того, чтобы рассмотреть формы капель различного размера или сфотографировать их.

В ходе проведенного исследования выяснилось, что капли малого диаметра действительно имеют форму, близкую к шару, а капли большего диаметра — форму, напоминающую шляпку гриба.

Наблюдение распада капли в кольцо и взаимодействия колец

Мы решили провести наблюдение распада капли в кольцо, чтобы удостовериться в справедливости представленных авторами данных о поведении капли чернил на поверхности и внутри воды. При проведении эксперимента нами зафиксировано, что более плотная жидкость стремится вниз по законам, которые описываются неустойчивостью Рэлея-Тейлора, с образованием вихрей.

Для этого мы использовали прозрачный стеклянный сосуд, который наполняли водой. Подбирали капилляры различных диаметров и, получали тем самым, капли различных радиусов.

Характер поведения чернильной капли зависит от нескольких параметров: если жидкость имеет высокую плотность, например, раствор поваренной соли, или капля падает с большой высоты и ударяется о поверхность жидкости с большой скоростью, то она разбивается на части и глубоко в жидкость не проникает. Но если плотность жидкости немного меньше, чем у чернил, и капля падает с высоты в несколько сантиметров, то с ней происходят интересные превращения.

Если осторожно поднести каплю чернил к самой поверхности и коснуться ее, то капля будет моментально втянута в воду и начнет с большой скоростью двигаться вниз. Эту скорость капля приобретает под действием взаимного притяжения молекул жидкости. Возникающие при этом силы называются силами поверхностного натяжения потому, что они всегда стремятся уменьшить свободную поверхность жидкости, втягивая ее внутрь и выравнивая любую неровность на ней.

Сначала чернильная капля с большой скоростью погружается в воду, но затем движение ее замедляется. Причиной такого движения является архимедова сила, почти уравновешивающая силу тяжести, и сила трения между каплей и неподвижной водой. Поскольку сила трения действует лишь на внешнюю поверхность капли, то, пройдя несколько сантиметров, капля превращается во вращающееся кольцо.

Механизм образования вихревого кольца довольно прост: боковая поверхность капли тормозится о неподвижную воду и начинает отставать от внутренней части. Место провалившейся серединки занимает чистая вода.

Читать еще:  Вредно ли есть наггетсы

Кольцо недолго остается идеально круглым: его вращение замедляется, и на нем появляются вздутия и впадины. Это явление называется неустойчивостью Рэлея — Тейлора, которое заключается в том, что слой тяжелой жидкости , лежащий на слое более легкой жидкости , может пребывать в равновесии, но равновесие это будет неустойчивым. Стоит поверхности раздела жидкостей немного искривиться, как тяжелая жидкость устремится во впадины, а легкая начнет всплывать, усиливая вздутия. Это совершенно естественно: жидкости стремятся занять положение устойчивого равновесия, когда легкая находится наверху, а тяжелая — внизу.

Движение струи в неподвижной жидкости во многом напоминает движение отдельной капли: под действием вязких сил, на конце струи опять — таки образуется вихревое кольцо, которое через несколько секунд под — действием рэлей-тейлоровской неустойчивости само породит 2-3 струи. Такой процесс «почкования» повторяется несколько раз, пока чернила не достигнут дна банки, оставляя за собой след.

При изучении взаимодействия вихревых колец, в тот момент, когда они оказываются на одной высоте, то начинают взаимодействовать друг с другом. Возможны три случая.

Первый случай – второе кольцо обгоняет первое, не задевая его. При этом происходит следующее. Во-первых, потоки воды от обоих колец как бы отталкивают кольца друг от друга. Во-вторых, обнаруживается переток чернил с первого кольца на второе: водяные потоки второго кольца более интенсивны, они и увлекают чернила за собой. Иногда часть этих чернил проходит через второе кольцо, что влечет за собой образование нового небольшого кольца. Затем кольца начинают делиться, дальше ничего интересного нам заметить не удалось.

Второй случай – второе кольцо при обгоне задевает первое. В результате более интенсивные потоки второго кольца разрушают первое. Как правило, из оставшегося от первого кольца сгустка чернил образуются новые маленькие вихри.

Третий случай — кольца испытывают центральное соударение. При этом второе кольцо проходит через первое и уменьшается в размерах, а первое, наоборот, расширяется. Как и в предыдущих случаях, это происходит за счет взаимного действия водяных потоков одного кольца на другое. В дальнейшем кольца начинают делиться.

Почему капля шар

Сверкающие капли на листьях, утренняя роса на траве, весенняя капель, веселый дождь по лужам, подпрыгивающие капли жира на раскаленной сковороде, монотонно капающая вода из водопроводного крана .

Капли жидкости образуютс в основном:
— при истечении жидкости из отверстия,
— при стекании ее с края поверхности,
— при распылении жидкости,
— конденсации пара на несмачиваемых поверхностях.

Форма капли определяется действием внешних сил и сил поверхностного натяжения.

В состоянии равновесия, когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости стремится принять такую форму, чтобы иметь минимальную площадь, а это — форма шара ! Обычно шарообразную форму имеют микроскопические капли и капли, находящиеся в условиях невесомости.

.

Причем в условиях невесомости любой объем жидкости принимает строго сферическую форму.

Крупные капли в земных условиях принимают форму шара только в том случае, когд плотности жидкости и окружающей ее среды одинаковы. Падающие капли дождя имеют обычно несколько сплюснутую форму, поскольку испытывают одновременно влияние силы тяжести встречного воздушного потока и сил поверхностного натяжения.

На космической станции космонавтами был проведен опыт по сварке в невесомости. Нет ничего удобнее для капли, чем быть взвешенной в пространстве, в невесомости: ни с чем она не соприкасается, никакие силы ее не искажают и ни к каким изменениям она не стремится. Процесс сварки в космосе был запечатлен на кинопленке. Оказалось, что на кончике электрода формируется большая, почти сферическая, капля жидкого металла, существенно больше той, которая образуется при сварке в земных условиях. Капли жидкого металла, случайно оторвавшиеся от электрода, свободно парят около места сварки на поверхности.

. . .

В обычных земных условиях на смачиваемых поверхностях капли обычно растекаются, а на несмачиваемых принимают форму сплюснутых шаров.

Но и здесь жидкость принимает форму, при которой площадь ее поверхности оказывается минимальной. Сила поверхностного натяжения на границе раздела жидкости и газа будет стремиться придать капле сферическую форму. Это произойдет в том случае, если поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и твердого тела будет больше поверхностного натяжения на границе раздела газа и твердого тела.

Читать еще:  Как повысить метаболизм для сжигания жира

Если наблюдается несмачивание поверхности твердого тела жидкостью, то форма капли будет определяться равнодействующей сил поверхностного натяжения и силы тяжести. Если капля большая, то она будет растекаться по поверхности, а если маленькая — стремиться к шарообразной форме.

Если поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и твердого тела меньше поверхностного натяжения на границе раздела газа и твердого тела, то капля приобретет такую форму, чтобы уменьшить площадь поверхности границы раздела газ-твердое тело, то есть будет растекаться по поверхности тела. В этом случае наблюдается смачивание жидкостью твердого тела.

. .

Это реальные фотографии капель жидкости , сделанных фотографом — художником Мартином Бара. Разнообразие фотографий капель объясняется физическими свойствами жидкостей (вязкостью, цветом, и т.д.) и условиями падения капель.

Плавающие капли. Опыт Плато.

Если в пробирку налить водный раствор спирта, и затем капнуть в него каплю масла (необходимо предусмотреть, чтобы плотность раствора и масла была одинаковой). Масло , не растворяется в спиртовом растворе, и капля приобретет форму сферы и повисает в растворе. Вследствие равенства плотности вещества капли и среды сила тяготения, действующая на каплю, оказывается равной выталкивающей архимедовой силе. На каплю действует только одна сила поверхностного натяжения, и капля принимает форму сферы, т е. форму, которая при данном объеме отличается минимальной поверхностью. Форма капли не зависит от размера. От истинной невесомости капля Плато заимствовала лишь сферическую форму. Она как бы в невесомости. Любая капля в невесомости будет сферической.

Как образуется капля при отрыве от тающей сосульки?

Набухающая капля увеличивает свой объем и, двигаясь по направлению к земле, вытягивает тонкую перемычку — связующее звено между сосулькой и каплей. Пока объем капли мал, она не отрывается, ее удерживают силы поверхностного натяжения. Отрыв происходит когда вес капли становится равен сумме сил поверхностного натяжения. Затем капля от перемычки отрывается и свободно падает, а оставшаяся перемычка начинает изменять свою форму. Она укорачивается, утолщается в нижней части и в виде сформировавшейся капельки отрывается от сосульки. Рождению каждой крупной капли сопутствует рождение еще одной маленькой капельки! Ее объем приблизительно в 1000 раз меньше объема первой капли, и мы ее часто не замечаем.

Судьба маленькой капли оказывается очень неожиданной. Возникнув, она не летит вслед за падающей большой, а, наоборот, начинает двигаться вверх, по направлению к сосульке. Иногда это движение оканчивается тем, что малая капля достигает сосульки и как бы поглощается ею, а иной раз, немного переместившись вверх, она летит вниз вслед за большой.

. .

Судьба маленькой капли зависит от того, какой толщины была перемычка, превратившаяся в капельку, а толщина перемычки зависит от того, насколько остра тающая сосулька. Капельки, возвращающиеся в сосульку, обычно рождаются сосульками остроконечными.

Если источником большой капли является не конусная сосулька, а плохо закрученный водопроводный кран, может оказаться, что перемычка будет настолько длинной, что из нее образуется не одна, а несколько маленьких капелек. Эти капельки действительно наблюдаются. Оказывается, что та из них, которая ближе всех расположена к источнику воды, обязательно хоть немного движется вверх, а все остальные такой попытки не делают и следуют вниз за большой каплей.

Как ведет себя капля жидкости на горячей сковороде?

Жидкость начинает интенсивно испаряться. Капля под действием образующихся паров поднимается над поверхностью на десятые доли мм и как бы лежит на «паровой подушке».

Сверхтонкие провода из капель жидкости.

Ученые Университета Пердью и физики Чикагского университета, разработали методику получения сверхтонких волокон из различных материалов, в том числе и проводящих электричество. Когда через специальное сопло одно вещество медленно выталкивается в среду с другой вязкостью (подобно тому, как вытекают капли воды из водопроводного крана), происходит образование капли. При этом процесс отделения капли сопровождается появлением тонкого канала между соплом и формирующийся каплей. Длина этого формирующегося при каплеобразовании канала тем больше (а толщина — меньше), чем больше отношение вязкости внешней жидкости к вязкости жидкости, из которой образуется капля. Если образовывать капли из специального вещества, которое полимеризуется на свету, то можно получать из негтончайшие волокна. Этим способом в будущем можно будет получать тончайшие гибкие волокна из прочнейших материалов и сверхминиатюрные проводники электричества

. .

Брызги бывают только на Земле?

Читать еще:  В каком году перешли на новый календарь

Брызги обеспечивает воздух. При ударе капли о плоскую поверхность она брызгами разлетается в разные стороны. Кто в этом виноват — капля, содержащая брызги, или поверхность, о которую она бьется? Ни та ни другая. Главный виновник брызг — воздух. Нет воздуха — нет всплеска. Американские исследователи пытались измерить энергию жидких капелек, отлетающих от большой капли при ударе.. Чтобы исключить влияние воздуха, эксперимент проводился в вакуумной камере. Давление воздуха в ней регулировалось. Ученые обнаружили, что чем меньше давление, тем меньше разбрызгивается жидкость. Брыгзи полностью прекратились, когда давление достигло примерно 0.2 бар.

. .

Нельзя объять необъятное!

Читайте книги, о физике капли можно узнать еще очень много интересного!

Почему капля круглая

Наверняка вы обращали внимание, что хаотично разбросанные капли всегда имеют круглую форму. Почему капля круглая?

Если внимательно присмотреться, то увидим, что форма капли вовсе не идеально круглая. Например, если смотреть снизу на капли дождя, то они кажутся почти плоскими. Идеальный шар возможен лишь в условиях невесомости. А поскольку мы находимся на Земле, капля (как и все тела на нашей планете) подвергается воздействию силы притяжения. Это делает ее слегка сплюснутой. Поэтому по форме капля скорее не шар, а эллипсоид, хотя и с очень малым межфокальным расстоянием.

Какая еще сила, кроме силы притяжения, действует на каплю? Сила поверхностного натяжения. Чтобы объяснить, как она действует, обратимся к курсу молекулярной физики. Поверхность капли можно рассматривать как пленку, состоящую из молекул, причем молекулы ее внешних слоев находящихся не в равных условиях с молекулами внутренних. Молекулы внешнего слоя пленки обладают большей свободной энергией. Стремясь сбросить избыток энергии и пытаясь проникнуть во внутренние слои капли, они создают давление. Вектор силы давления всегда направлен к центру капли. А та сила, с которой молекулы внешних слоев капли давят на молекулы внутренних слоев, называется силой поверхностного натяжения.

Таким образом, чем меньше капли, тем они более круглые — их собирает в шар сила поверхностного натяжения. А вот капли побольше имеют вытянутую форму, потому что они слишком тяжелые и этой силы уже недостаточно для того, чтобы удержать их в форме шара.

Но вопрос остается открытым: почему же все-таки шаровидная форма? Вышеизложенная теория не вполне это объясняет. Дело в том, что на шаровой поверхности все молекулы, находящиеся на ней, находятся в равном энергетическом состоянии. Другими словами, шаровая поверхность наиболее энергетически стабильна, поскольку системе именно такое положение наиболее выгодно. Вообще, шар — самая компактная форма в природе.

Если каплю растянуть, то молекулы, находящиеся на растянутых областях, приобретают более высокую избыточную энергию. Стремясь сбросить излишек энергии, молекулы снова возвращают каплю в исходное состояние, что в итоге приводит систему в равновесие.

Как следует из вышесказанного, поверхностное натяжение как бы держит воду в упругой «кожице» — оболочке. Эта оболочка заставляет висеть каплю на конце водопроводного крана. Если же капля становится слишком большой, оболочка не выдерживает, рвется, и капля падает.

Именно благодаря силе поверхностного натяжения крошечное насекомое водомерка может ходить по поверхности воды, не погружаясь в нее. А ящерица василиск прямо по поверхности воды может спокойно перебежать речку или маленькое озерцо.

Можно ли сделать каплю воды плоской? Да, и очень просто. Надо аккуратно прикоснуться к ней кончиком намыленной соломинки. Капля становится плоской потому, что мыло ослабляет поверхностное натяжение воды — и его силы уже не хватает на то, чтобы удерживать капельку в форме шара.

Как получаются мыльные пузыри? Когда мы добавляем в воду мыло, сила поверхностного натяжения уменьшается, а поверхность воды как бы растягивается и становится более эластичной — настолько эластичной, что в нее можно вдуть воздух и при этом она растянется в пузырь. Это немного похоже на то, как если бы мы набрали воду в воздушный шарик.

Таким образом, капля воды не круглая, а эллипсоидная. Оболочки различных жидкостей имеют разную степень прочности. Например, спирт имеет меньшее поверхностное натяжение, чем вода, поэтому образует более мелкие капли. А ртуть, наоборот, имеет поверхностное натяжение в 6 раз больше, чем у воды, поэтому когда разбивается термометр, она распадается на множество мелких шариков.

Источники:

http://www.microarticles.ru/article/kaplja-formy-shara.html
http://class-fizika.ru/7_kap.html
http://glazastik.com/%D0%BF%D0%BE%D1%87%D0%B5%D0%BC%D1%83-%D0%BA%D0%B0%D0%BF%D0%BB%D1%8F-%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B3%D0%BB%D0%B0%D1%8F/

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector