Prečo má malá kvapka kvapaliny tvar gule? Nezvyčajné prejavy vlastností vody v nulovej gravitácii. V podmienkach beztiaže má voda tvar gule

Nezvyčajné fyzikálne vlastnosti kvapalín sa prejavujú nielen vo vedeckom laboratóriu, ale aj v reálnom živote. Môžete pozorovať úžasné správanie vody na Zemi aj vo vesmíre. Nezáleží na tom, z akého zdroja sa voda berie: zo studne, jazera, rieky alebo mora. Vzorky vody odobraté z rôznych zdrojov sa budú líšiť chemickým zložením, ale prejav fyzikálnych vlastností zostane nezmenený.

Správanie sa vody pod vplyvom gravitácie

Voda, ako každá iná kvapalina naliata do akejkoľvek nádoby, podlieha gravitačnej sile pod vplyvom zemskej gravitácie, ktorá tlačí kvapalinu na dno nádoby. Súčasne sú prítomné sily povrchového napätia, ktoré nútia vodu zaberať čo najmenší objem. Tieto sily umožňujú naliať do nádoby o niečo viac vody, než dovoľuje jej objem. Zdá sa, že voda sa zhromažďuje v uzávere cez okraje stien. Sila povrchového napätia bráni jeho vyliatiu.

Účinok tejto sily možno pozorovať, keď ihla umiestnená na hladine vody zostáva plávať. Ďalší prejav sily povrchového napätia nastáva pri liatí vody z naklonenej nádoby: prúd vody má vždy tvar valca. V prítomnosti gravitácie sú sila povrchového napätia a sila gravitácie vždy v rovnováhe.

Voda na obežnej dráhe

Všetky telesá v kozmickej lodi obiehajúcej planétu sú v stave beztiaže. Na vodu v kabíne kozmickej lode preto začne vo väčšej miere pôsobiť sila povrchového napätia. Je známe, že guľa ako geometrické teleso má najmenší povrch s rovnakým objemom ako ostatné telesá. V dôsledku toho sa voda vyliata z nádoby v podmienkach nulovej gravitácie zhromažďuje do guľôčok a vznáša sa vo vzduchu, pretože nemá žiadnu váhu.

Mimochodom, voda naliata do fľaše v nej tiež „pláva“ vo forme mnohých guľôčok a kvapiek a úplné naplnenie fľaše vodou spôsobí určité ťažkosti: naliata voda vytlačí vzduch z fľaše spolu s vodnými guľôčkami. . Vo fľaši zostane len voda, ktorá sa prilepí na steny. Stojí za zmienku, že v kabíne kozmickej lode nie je sprcha, pretože voda vytekajúca zo sprchovej hlavice samozrejme nevytečie do odtokového otvoru, ale rozptýli sa v guličkách po sprchovej kabíne. Namiesto sprchy používajú astronauti na hygienické účely vlhčené uteráky, ktoré sa stali prototypmi známych vlhčených obrúskov.

Vieš?..

Orbitálne stanice Salyut boli vybavené sprchou: voda bola dodávaná do kabíny spolu s prúdom stlačeného vzduchu a potom nasávaná do odtoku ako vysávač. Technológia bola považovaná za nerentabilnú kvôli značnej spotrebe vody a moderná ISS nebola vybavená sprchami.

"Nezvyčajné prejavy vlastností vody v nulovej gravitácii", BC "POISK" povedzte priateľom: 21. mája 2017

Obrázok v príspevku PREČO MÁ KVAPKA VODY NA ROVNÍKU DOKONALE V TVARU GULE? bol odtiaľto - veľmi zaujímavý vedecký článok o tom, akú formu má voda v nulovej gravitácii...

Ryža. 1. Schéma stability tvarov kvapiek. Bezrozmerná uhlová rýchlosť rotácie je vynesená pozdĺž vertikálnej osi (ordináta) a bezrozmerný moment hybnosti kvapky kvapaliny je vynesený pozdĺž horizontálnej osi (os x). . Ryža. z fyziky.aps.org

TOP je forma vody...

Fyzici z University of Nottingham vykonali sériu experimentov na určenie tvaru kvapiek vody zavesených v priestore pomocou diamagnetickej levitácie. Ukázalo sa, že za určitých podmienok môžu kvapôčky v rovnováhe mať nielen guľový alebo oválny tvar, ale aj trojuholníkový, štvoruholníkový a dokonca päťuholníkový. Výsledky výskumu je možné použiť ako na vysvetlenie štruktúr astronomických objektov (čierne diery, Kuiperov pás), tak aj na popis rýchlo rotujúcich atómových jadier.

Čo kvapka kvapaliny v neprítomnosti gravitácie má tvar gule, sa zdá byť samozrejmosťou, ale túto skutočnosť experimentálne potvrdil až v roku 1863 belgický fyzik Joseph Plateau, ktorý bol v tom čase už dávno slepý, keď sa raz bez prestania 25 sekúnd pozeral do poludňajšieho slnka. Aby to dokázal, umiestnil kvapku olivového oleja do zmesi vody a alkoholu, ktorá mala rovnakú hustotu ako olej. Vyrovnaním gravitačnej sily pôsobiacej na kvapku s Archimedovou (vztlakovou) silou vedec dosiahol pre kvapku stav beztiaže. V dôsledku takýchto manipulácií kvapôčka nadobudla sférický tvar. Belgický vedec tiež robil experimenty s otáčaním kvapky a pozorovaním metamorfóz, ktoré sa v dôsledku toho vyskytli. Platón dokázal dokázať, že Ako sa rýchlosť otáčania olivového oleja zvyšovala, kvapka zmenila svoj tvar z guľového na oválny a potom sa premenila na dvojlaločnú štruktúru pripomínajúcu vysoko pretiahnutý ovál. A nakoniec, pri veľmi vysokej rýchlosti otáčania sa z kvapky stal torus. Schematicky je zmena tvaru kvapky so zvýšením rýchlosti rotácie kvapaliny v nej znázornená na obr. 1.

Bohužiaľ, Plateauove experimenty neboli dokonalé z jedného jednoduchého dôvodu. Prostredie, ktoré skúmaný objekt pri jeho experimentoch obklopovalo, má v dôsledku viskozitných síl nežiaduci dodatočný vplyv na tvar kvapky. Preto boli výsledky výskumu belgického fyzika iba kvalitatívne. A 150 rokov od belgických experimentov zostával hlavnou prekážkou kvantitatívneho opisu procesu rotácie a transformácie tvaru kvapky vplyv viskóznych trecích síl.

Nedávno sa Plateauove experimenty zopakovali v kozmickej lodi s kvapkou silikónového oleja. Ale takéto experimenty, ako je ľahké pochopiť, nie sú lacným potešením - na to nemusíte spúšťať špeciálnu kozmickú loď. A vedecko-výskumné programy vo vesmíre sú už presýtené, takže na štúdium kvapôčok nie je vždy čas. To znamená, že je potrebné zvoliť také experimentálne podmienky, aby sa súčasne odstránil ako vplyv gravitácie na skúmaný objekt, tak aj vplyvy viskózneho prostredia (v Plateauových experimentoch ide napr. o trenie medzi kvapkou olivového oleja). a okolitá zmes alkoholu a vody).

Fyzici z University of Nottingham navrhli originálnu metódu kompenzácia gravitácie. Tento problém vyriešili pomocou diamagnetickej levitácie vodných kvapiek(obr. 2). Vedci z Nottinghamu publikovali výsledky svojho experimentálneho výskumu v časopise Physics Review Letters v článku Neaxiálne symetrické tvary magneticky levitovanej a rotujúcej kvapôčky vody ( článok je vo verejnej doméne).

Faktom je, že Niektoré látky sú svojou magnetickou povahou diamagnetické (napríklad voda), tj slabo prenáša magnetické pole do seba(ideálne diamagnetické je supravodič).

Ryža. 2. Schematické nákresy a princíp fungovania experimentálneho zariadenia, ktoré autori použili na štúdium tvaru kvapiek vody (pozri vysvetlivky v texte). Obrázky z diskutovaného článku

Čiastočne, do malej hĺbky, však magnetické pole stále preniká do diamagnetickej látky a vytvára na jej povrchu elektrický prúd. Tento prúd vytvára svoje vlastné magnetické pole v diamagnetickom materiáli, ktoré ako keby odpudzuje z vonkajšieho poľa. Je to teda odpor voči prenikaniu vonkajšieho magnetického poľa, ktorý spôsobuje, že diamagnetické materiály sa vznášajú alebo levitujú v priestore. Je však potrebné pochopiť, že na to, aby došlo k diamagnetickej levitácii, musí byť vonkajšie pole veľmi silné. Pri experimentoch s kvapkami vody bolo magnetické pole spôsobujúce vznášanie kvapiek na fyzikálne pomery gigantické – 16,5 Tesla (niekoľko desaťtisíckrát silnejšie ako magnetické pole Zeme). Zaujímalo by ma čo týmto spôsobom môžete prinútiť levitovať nielen kvapky vody, ale dokonca aj kobylky a žaby(pozri video).

Po úspešnom vyriešení problému eliminácie gravitácie (problém životného prostredia s týmto riešením už neexistuje - viskózne trenie zo vzduchu je zanedbateľné), bolo potrebné prísť s mechanizmom, ktorý by umožnil rotáciu kvapaliny vo vnútri suspendovaných kvapiek vody rovnakým spôsobom ako v Platónových pokusoch . Riešenie tohto problému sa tiež ukázalo ako „magnetické“. Vedci vytvorili "kvapalný elektromotor": do kvapky boli vložené dve tenké zlaté elektródy, z ktorých jedna sa zhodovala s osou symetrie kvapky (obr. 2a); Elektródami prechádzal prúd, ktorého smer prúdenia bol kolmý na siločiary vonkajšieho magnetického poľa.

V dôsledku toho výsledný Lorentzov moment sily spôsobil rotáciu kvapaliny vo vnútri kvapky a frekvencia tejto rotácie závisela od sily prúdu pretekajúceho medzi elektródami (obr. 2b). Zaujímavou doplnkovou vlastnosťou „kvapalného elektromotora“ je schopnosť neaxiálnej (to znamená nezhodujúcej sa s osou symetrie kvapky) elektródy vytvárať na kvapke povrchové vlny s malou amplitúdou. Prečo to bolo potrebné, sa ukáže neskôr.

Pomocou techniky, ktorú vymysleli autori článku, bolo možné pozorovať rôzne tvary kvapiek. Najmä keď sa kvapalina otáča vo vnútri takýchto objektov, podľa teoretických predpovedí je možné pozorovať ich prechod z dvojlaločného tvaru na trojuholníkový (trojlaločný) a druhá štruktúra, ako predpovedá rovnaká teória, by mala byť nestabilná. . Pomocou kvapôčky vody s objemom 1,5 ml (čo zodpovedá priemeru 14 mm), v ktorej sa pomocou povrchovo aktívnej látky znížil koeficient povrchového napätia na polovicu, britskí vedci prvýkrát ukázali, že na rozdiel od teoretických predpovedí je možné dosiahnuť stabilitu v trojuholníkovom tvare. Stabilizácia bola dosiahnutá kombináciou rotácie kvapky a generovania povrchových vĺn na nej. Povrchové vlny teda zohrali úlohu akéhosi stabilizátora trojuholníkového tvaru kvapky vody.

Ako sa ukázalo, excitácia povrchových vĺn na kvapôčke, spojená s jej rotáciou, umožňuje získať významné rozmanitosť podôb vodných kvapiek, aké si Platón možno ani nepredstavoval.

Ryža. 3. Horný obrázok je graf zmeny tvaru 1,5 ml kvapky vody v čase, keď sa mení rýchlosť rotácie kvapaliny. Graf vo vložke ukazuje závislosť prúdu medzi elektródami od času. Obrázky a-f sú sekvenciou fotografií zobrazujúcich zmenu tvaru kvapky vody. Názvy fotografií (M1, M2, M3, M4) zodpovedajú názvom videosúborov demonštrujúcich vývoj tvaru kvapiek. Podrobnosti nájdete v texte. Kresba a fotografie z diskutovaného článku

Na obr. Obrázok 3 ukazuje časový vývoj 1,5 ml kvapky vody s povrchovo aktívnou látkou v jej zložení, keď sa mení frekvencia otáčania (rps - počet otáčok za sekundu). Niekoľko vysvetlení k grafu. Pri nízkej frekvencii rotácie a absencii povrchových vĺn na kvapke jej tvar pripomína sploštený sféroid(sploštený sféroid) - inými slovami, oválny tvar kvapky. Potom, čo sa pomocou prúdu aktivovali povrchové vlny a rýchlosť rotácie kvapaliny vo vnútri kvapky sa ďalej zvyšovala, jej tvar sa zmenil na vysoko pretiahnutý ovál - inými slovami, stal sa dvojklíčnolistovým(červená oblasť na grafe a snímka M1b pod grafom). Žltá časť grafu zodpovedá oblasti, kedy kvapka sa začne otáčať okolo svojej osi ako pevné teleso (ako jeden celok) a keď sa zároveň po kvapke „prechádzajú“ povrchové vlny. Výsledkom je, že kvapka vyzerá ako na fotografii M1c – vedci tento tvar kvapky nazvali bipartitná statická + rotujúca.

Ďalšie zvýšenie prúdu a rýchlosti otáčania transformuje kvapku z oválneho (dvojkolesového) na trojuholníkový(v tomto prípade dynamické správanie kvapky nie je jednoliate) - zelená plocha na grafe a fotografii M2. Ďalej, keď povrchové vlny stabilizujú takú štruktúru kvapky vody, zvýšením rýchlosti rotácie možno dosiahnuť jav, pri ktorom sa kvapka začne správať ako pevné teleso – rotuje ako jeden celok. (TOR - tvar rotujúceho kruhu v špirále - Ouroboros podľa Blavatskej, spomínaný Ivanom Efremovom a na mnohých miestach všeobecne spomínaný:) Táto oblasť je na grafe znázornená modrou farbou (pozri aj fotografiu M4). Pozoruhodná je existencia prechodovej oblasti, kedy sa kvapka práve začína správať ako pevné teleso (pozri fotografiu M3). Na grafe takáto plocha zodpovedá gradácii zelenej a modrej farby.

O niečo bohatšie sa evolučne prejavuje kvapka vody s objemom 3 ml, už bez pridania povrchovo aktívnych látok (obr. 4). Do určitej doby sa správanie väčšieho poklesu kvalitatívne nelíši od správania diskutovaného vyššie. Ako však možno vidieť z obr. 4, v piatej minúte experimentu pri monotónne rastúcej uhlovej rýchlosti rotácie kvapaliny je možné pozorovať štvor- a dokonca päťuholníkový tvar kvapky (modré a fialové oblasti v grafe a na fotografiách M10 a M11 ), ktorý sa však nespráva ako pevné teleso. Aby sme boli spravodliví, poznamenávame, že táto forma nie je stabilná a časom sa zvrháva na bipartitnú (vysoko pretiahnutý ovál, foto M12), ktorej správanie zodpovedá rotujúcemu pevnému telesu.

Tu je vo forme zip archívu galéria 12 krátkych filmov ukazujúcich vývoj vodných kvapiek, ktoré skúmali anglickí vedci. Vyššie uvedené fotografie M1-M12 sú stále snímky týchto filmov a zodpovedajú názvom filmov: videosúbory M1-M4 ukazujú kvapku 1,5 ml, M5-M12 kvapku vody s objemom 3 ml.

Ryža. 4. Horný obrázok je graf zmeny tvaru 3 ml kvapky vody v čase, keď sa mení rýchlosť rotácie kvapaliny. Graf vo vložke ukazuje závislosť prúdu medzi elektródami od času. Obrázky a-h sú sekvenciou fotografií zobrazujúcich meniaci sa tvar kvapky vody. Názvy fotografií (M5, M6 ... M12) zodpovedajú názvom videosúborov demonštrujúcich vývoj tvaru kvapiek. Podrobnosti nájdete v texte. Kresba a fotografie z diskutovaného článku

Experimenty s vodnými kvapkami podľa vedcov nie sú len akademickým záujmom. Keďže k ustáleniu tvaru kvapky došlo v dôsledku komplexnej interakcie jej rotácie a povrchových vĺn na nej, experimentálne výsledky možno použiť pri popise podobných fyzikálnych javov – ako na oveľa väčšom (astronomickom), tak aj menšom (jadrovom ) mierka. Napríklad pri štúdiu tvaru objektov Kuiperovho pásu, horizontu udalostí čiernych dier alebo pri štúdiu tvarov rýchlo rotujúcich atómových jadier. (Mimochodom, poznamenávame, že myšlienka použitia „kvapkového“ prístupu pri opise charakteristík atómových jadier je už dosť stará – stačí si spomenúť na poloexperimentálny Weizsäckerov vzorec, ktorý popisuje väzbovú energiu atómových jadier; avšak , tento výraz sa už v súčasnej fáze vývoja vedy nepoužíva.)

Zdroj. R. J. A. Hill, L. Eaves. Neaxiálne symetrické tvary magneticky levitovanej a rotujúcej kvapky vody (celý text - PDF, 3,45 MB, ďalšie materiály k článku - PDF, 287 KB) // Physical Review Letters, 101, 234501 (2008).

Zdá sa, že čo môže byť jednoduchšie ako kvapka? Ukazuje sa však, že tento fyzický objekt má veľa tajomstiev.

Aký je tvar kvapky?

Veľmi často sú padajúce kvapky znázornené takto:

Tento obrázok nie je správny. V skutočnosti je počas pádu kvapka v stave beztiaže a sily povrchového napätia jej dávajú guľový tvar. Nezabudnite, že voda má dostatočný koeficient povrchového napätia:

a= 72,86.10-3 N/m

Myšlienka, že kvapka má predĺžený špicatý hrot, je spôsobená skutočnosťou, že človek je schopný rozlíšiť jej obrysy iba počas procesu jej formovania. Kvapka rýchlo padá a človek nie je schopný určiť jej tvar:

Okrem síl povrchového napätia však môžu pôsobiť aj iné sily, ktoré ovplyvnia aj tvar kvapky. Tu je to, čo o tom hovorí Wikipedia:

Tvar kvapky je určený kombinovaným pôsobením povrchového napätia a iných vonkajších síl (predovšetkým gravitácie a pri vysokých rýchlostiach aerodynamických síl). Mikroskopické kvapky, pre ktoré gravitácia nehrá určujúcu úlohu, majú tvar gule – telesa s minimálnym povrchom pre daný objem. Veľké kvapky majú v pozemských podmienkach guľový tvar iba vtedy, ak sú hustoty kvapaliny kvapky a jej okolitého prostredia rovnaké.
Padajúce kvapky dažďa pod vplyvom gravitácie, tlaku prichádzajúceho prúdu vzduchu a povrchového napätia nadobúdajú podlhovastý tvar. Na nezmáčaných povrchoch nadobúdajú kvapky tvar sploštenej gule.

Nezabudnite, že v kvapke sa môžu vyskytnúť vibrácie, v dôsledku ktorých sa po jej povrchu budú šíriť vlny. Pre viac informácií o tomto a ďalších navrhujem pozrieť si video natočené na ISS, v podmienkach úplnej beztiaže, astronaut Don Pettit experimentuje s kvapkou (vodnou bublinou) s priemerom 130 mm!:

Obrázok v príspevku bol odtiaľto - veľmi zaujímavý vedecký článok o tom, aký tvar má voda v nulovej gravitácii...

TOP je forma vody...

Faktom je, že Niektoré látky sú svojou magnetickou povahou diamagnetické (napríklad voda), tj slabo prenáša magnetické pole do seba(ideálne diamagnetické je supravodič).

Astronaut nachádzajúci sa na orbitálnej vesmírnej stanici letiacej okolo Zeme vytlačil kvapku tekutiny zo skúmavky vesmírnej výživy, ktorá začala lietať okolo kabíny stanice. Akú podobu bude mať táto kvapka?

Vysvetli svoju odpoveď.

Povrchové napätie kvapalín

Ak vezmete tenkú čistú sklenenú trubičku (nazývanú kapilára), postavíte ju zvislo a jej spodný koniec ponoríte do pohára s vodou, voda v trubici vystúpi do určitej výšky nad hladinu vody v pohári. Opakovaním tohto experimentu s rúrkami rôznych priemerov a s rôznymi kvapalinami je možné zistiť, že výška kvapaliny v kapiláre je odlišná. V úzkych rúrach tá istá kvapalina stúpa vyššie ako v širokých. V tomto prípade v tej istej trubici stúpajú rôzne kvapaliny do rôznych výšok. Výsledky týchto experimentov, ako aj množstvo ďalších efektov a javov sa vysvetľuje prítomnosťou povrchového napätia kvapalín.

Výskyt povrchového napätia je spôsobený skutočnosťou, že molekuly kvapaliny môžu interagovať navzájom aj s molekulami iných telies - pevných, kvapalných a plynných - s ktorými sú v kontakte. Molekuly kvapaliny, ktoré sú na jej povrchu, „existujú“ za špeciálnych podmienok - sú v kontakte s inými molekulami kvapaliny as molekulami iných telies. Rovnováha povrchu kvapaliny sa preto dosiahne vtedy, keď sa súčet všetkých síl interakcie medzi molekulami umiestnenými na povrchu kvapaliny a ostatnými molekulami stane nulou. Ak molekuly na povrchu kvapaliny interagujú prevažne s molekulami samotnej kvapaliny, potom kvapalina nadobudne tvar, ktorý má minimálny voľný povrch. Dôvodom je skutočnosť, že na zväčšenie voľného povrchu kvapaliny je potrebné presunúť molekuly kvapaliny z jej hĺbky na povrch, na čo je potrebné molekuly umiestnené na povrchu „oddialiť“. povrchu, teda konať prácu proti silám ich vzájomnej príťažlivosti. Z energetického hľadiska je teda najpriaznivejší stav kvapaliny s minimálnym voľným povrchom. Povrch tekutiny sa správa ako natiahnutý elastický film – má tendenciu sa čo najviac sťahovať. Presne preto vznikol pojem „povrchové napätie“.

Vyššie uvedený popis možno ilustrovať pomocou Plateauových skúseností. Ak umiestnite kvapku anilínu do roztoku kuchynskej soli, pričom zvolíte koncentráciu roztoku tak, aby kvapka plávala vo vnútri roztoku a bola v stave indiferentnej rovnováhy, potom kvapka pod vplyvom povrchového napätia nadobudne sférický tvar. tvar, keďže medzi

Zo všetkých telies je to lopta, ktorá má minimálny povrch pre daný objem.

Ak sa molekuly na povrchu kvapaliny dostanú do kontaktu s molekulami tuhej látky, potom správanie kvapaliny bude závisieť od toho, ako silne vzájomne pôsobia molekuly kvapaliny a tuhej látky. Ak sú príťažlivé sily medzi molekulami kvapaliny a pevnej látky silné, potom bude mať kvapalina tendenciu šíriť sa po povrchu pevnej látky. V tomto prípade hovoria, že kvapalina dobre zmáča pevnú látku (alebo ju úplne zmáča). Príkladom dobrého zmáčania je voda, ktorá sa dostane do kontaktu s čistým sklom. Kvapka vody položená na sklenenú dosku sa po nej okamžite rozleje v tenkej vrstve. Práve kvôli dobrému zmáčaniu skla vodou sa pozoruje stúpanie hladiny vody v tenkých sklenených trubiciach. Ak sily príťažlivosti molekúl kvapaliny navzájom výrazne prevyšujú sily ich priťahovania k molekulám pevného telesa, kvapalina bude mať tendenciu nadobudnúť taký tvar, že plocha jej kontaktu s pevným telesom bude taká malá. ako sa dá. V tomto prípade hovoria, že kvapalina nezmáča pevnú látku dobre (alebo ju nezmáča úplne). Príkladom zlého zvlhčovania sú kvapky ortuti umiestnené na sklenenej doske. Majú podobu takmer guľovitých kvapiek, mierne deformovaných vplyvom gravitácie. Ak spustíte koniec sklenenej kapiláry nie do vody, ale do nádoby s ortuťou, jej hladina bude nižšia ako hladina ortuti v nádobe.

Riešenie.

1. Kvapka nadobudne tvar gule.

2. Všetky objekty na orbitálnej stanici sú v stave beztiaže, takže tvar kvapky bude určený iba povrchovým napätím. Kvôli tomu sa kvapka pokúsi nadobudnúť tvar s minimálnou plochou povrchu, to znamená do tvaru gule.