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.
" статьёй "Капля воды — как она есть ". Где поговорим о том, что же такое капля воды, чем она отличается от не-капли, и других интересных вещах.
Капля воды — как она есть — это один из способов внимательнее всмотреться в окружающий нас мир. Посмотреть на него другими глазами, под другим углом — не привычным, а иным. В нашем случае — несколько более научным.
Так, в большинстве случаев, капля воды воспринимается как шарик из воды, который раздражжает, капая из-под крана, и радует, когда за окном дождь.
Но это лишь на первый взгляд. Так, по словарю:
Капля — незначительное количество жидкости, принимающее округленную форму из-за сцепления ее частиц. Вес капли зависит от температуры, от вещества того тела, от которого капля отделяется, от размеров этого тела и от поверхностного натяжения жидкости.
Ка́пля — небольшой объём жидкости, ограниченный поверхностью вращения или близкой к ней. Форма капли определяется действием сил поверхностного натяжения и внешних сил.
Поверхностное натяжение — это сила, с которой притягиваются молекулы вещества вглубь материала. Есть, конечно же, и более заумные объяснения (поверхностное натяжение — это работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности, материал БЭС). Но на самом деле всё достаточно просто. В случае с водой, поверхностное натяжение воды — это не что иное, чем молекулы воды, которые притягивают друг друга. Как железная пыль вокруг магнита.
Итак, имеем две силы — молекулы воды притягивают друг друга. Соответственно, когда они притягивают друг друга при определённых условиях, образуются капли.
Условия образования капель:
- при стекании жидкости с края поверхности или из малых отверстий (та самая капля, падающая с крана).
- при конденсации пара:
- а) на твёрдой несмачиваемой поверхности;
- б) на центрах конденсации. (пример — когда запотевает что-то, внесённое с мороза).
- при распылении жидкости (кстати, распыление жидкости применяется в пожаротушении).
- эмульгировании (смешивании одной жидкости в другой, не растворимой в ней; пример — эмульгирование происходит, когда перемешиваются масло и вода).
- роса образуются при конденсации водяного пара на поверхностях, тумана и облака — при конденсации водяного пара на пылинках воздуха.
В каждом из случаев обстоятельства образуют из воды очень маленькие количества. Ну а далее вступает в силу наше изученное выше поверхностное натяжение.
Так, форма капли определяется действием поверхностного натяжения (мы уже определили, что это такое) и внешних сил (в первую очередь силы тяжести). Микроскопические капли, для которых сила тяжести не играет определяющей роли, имеют форму шара — тела с минимальной для данного объёма поверхностью (так как молекулы воды равномерно притягиваются друг другу). Крупные капли в земных условиях имеют шарообразную форму только при равенстве плотностей жидкости капли и окружающей её среды.
Падающие дождевые капли под действием силы тяжести, давления встречного потока воздуха и поверхностного натяжения принимают вытянутую форму. На несмачиваемых поверхностях капли приобретают форму приплюснутого шара. Кстати, капли дождя не могут быть больше 5 мм, так как большие капли дробятся в воздухе.
Форма капли является аэродинамически оптимальной, так как имеет поверхность, в наименьшей степени препятствующую сопротивлению воздуха при полёте.
Итак, капля воды, как она есть — это стечение обстоятельств.
Одни из которых отвечают за измельчение воды на маленькие порции, а другие — за притяжение молекул воды друг к другу.
По материалам http://voda.blox.ua/2009/05/Chto-takoe-KAPLYa-VODY.html
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.