Почему капля круглая.

Ещё одно свойство воды – поверхностное натяжение. Молекулы на поверхности воды, не имея над собой других молекул, связаны друг с другом значительно крепче. И это так называемое поверхностное натяжение позволяет некоторым существам, например, водомеркам, бегать по воде. А мы благодаря этому явлению можем пускать мыльные пузыри.

Результат:игла лежит на поверхности воды в стакане. Результат: игла лежит на поверхности воды в стакане. поверхностным натяжением Это потому, что молекулы на поверхности воды образуют плёнку, способную выдержать вес лёгкого тела. Это явление называется поверхностным натяжением. Оно стремится заключить воду как бы в мешочек. Если воды совсем мало, то поверхностное натяжение придаёт ей форму шара- капли.

Опыт 2. Форма капли С помощью пипетки нанесем на поверхность несколько капель воды и понаблюдаем за ее формойРезультат: 1 – 1капля: хорошо держится форма шара капель: вода растеклась по поверхности

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 совершенно сферическую форму.

Создать условия, близкие к состоянию невесомости можно, если скомпенсировать силу тяжести выталкивающей силой.

В моем опыте я использовала обычное растительное масло и воду. Так как плотность масла немного меньше плотности воды, то действие силы тяжести ослабевает и можно наблюдать разные стадии образования капли и ее отрыва.

В момент образования капли она приобретает вытянутую форму, т. к. несмотря на силы поверхностного натяжения, которые стремятся придать капле сферическую поверхность, сила тяжести, стремится расположить центр масс капли как можно ниже. Вытянутая форма – результат этих усилий.

По мере роста капли, ее основная масса собирается внизу и у капли появляется шейка.

Сила поверхностного натяжения направлена в противоположно силе тяжести. И в момент, когда сила тяжести хотя бы на немного превосходит силы поверхностного натяжения капля отрывается. Шейка в этот момент быстро сужается и капля отрывается.

При этом от шейки отрывается маленькая капелька, которая падает вслед за большой.

Наблюдая за процессом образования капель, я заметила, что маленькие капельки имеют форму шариков, а большие – вытянутые вдоль горизонтальной оси.

Чтобы объяснить это явление, попробуем определить радиус капли, при котором она перестает быть сферичной.

При равномерном движении капли сила тяжести должна быть уравновешена силами поверхностного натяжения.

А для этого необходимо выполнение условия:

ρgh = σ(/R (1), где ρgh – гидростатическое давление жидкости.

Здесь h = 2R; σ(/R – лапласовское давление внутри капли.

Здесь следует учесть, что σ(= 2σ (коэффициент поверхностного натяжения).

Перепишем уравнение (1) с учетом этих значений и выразим предельный радиус капли 2Rgρ = 2R²g ρ= 2σ R= =

Подставим численные значения в эту формулу:

(= 7,4 * 10н/м (= 1000 g = 10

R = = 2,7*10м = 2,7 мм

Это значит, что капелька воды будет иметь сферическую форму, если ее радиус не превышает 3 мм. На не смачиваемой поверхности капля сохраняет сферическую форму благодаря силам поверхностного натяжения. Но если гидростатическое давление становится больше лапласовского, капля растекается и дробится на более мелкие.

Аналогичный расчет можно сделать и для других жидкостей. Например, для керосина и ртути предельный радиус сферической капли (2 мм, для спирта – 1,7 мм.

Теперь понятно, почему капли не бывают слишком крупными.

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.

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.