какую форму принимает жидкость в условиях невесомости

В невесомости капля жидкости способна принимать не только шарообразную форму

Физики из Ноттингемского университета провели ряд экспериментов по определению формы водяных капель, подвешенных в пространстве с помощью диамагнитной левитации. Было показано, что при определенных условиях капли в равновесии могут принимать не только шарообразную или овальную форму, но также треугольную, четырех- и даже пятиугольную. Результаты исследований могут быть использованы как для объяснения структур астрономических объектов (черные дыры, пояс Койпера), так и в описании быстровращающихся атомных ядер.

То, что капля жидкости в отсутствие гравитации имеет форму шара, кажется очевидным, но подтвердить этот факт экспериментально смог лишь в 1863 году бельгийский физик Жозеф Плато (Joseph Plateau), давно ослепший к тому времени, после того как он однажды 25 секунд не отрываясь смотрел на полуденное солнце. Для доказательства он поместил каплю оливкового масла в водно-спиртовую смесь, имевшую такую же плотность, как и масло. Уравновешивая силу тяжести, действующую на каплю, архимедовой (выталкивающей) силой, ученый добивался состояния невесомости капли. В результате таких манипуляций капля принимала сферическую форму. Бельгийский ученый также провел эксперименты по вращению капли и наблюдению за происходящими с ней в результате этого метаморфозами. Плато удалось установить, что, по мере возрастания скорости вращения оливкового масла, капля меняла свою форму с шарообразной на овальную, а далее трансформировалась в двудольную структуру, напоминающую сильно вытянутый овал. И наконец, при очень большой скорости вращения капля становилась тором. Схематически изменение формы капли с увеличением скорости вращения жидкости в ней изображено на рис. 1.

К сожалению, опыты Плато не были совершенными по одной простой причине. Среда, которая окружала исследуемый объект в его опытах, за счет сил вязкости оказывает нежелательное дополнительное воздействие на форму капли. А потому результаты исследований бельгийского физика носили лишь качественный характер. И на протяжении 150 лет с момента экспериментов бельгийца главным препятствием на пути к количественному описанию процесса вращения и трансформации формы капли оставалось влияние сил вязкого трения.

Сравнительно недавно эксперименты Плато были повторены в космическом корабле с капелькой кремниевого масла. Но подобные эксперименты, как несложно понять, удовольствие недешевое — не запускать же ради этого специальный космический корабль. А программы научных исследований в космосе и без того перенасыщены, так что там не всегда находится время для исследования капель. Значит, необходимо подобрать такие условия эксперимента, чтобы одновременно убрать как действие на исследуемый объект гравитации, так и эффекты вязкого окружения (в опытах Плато, например, это трение между каплей оливкового масла и окружающей ее смесью спирта и воды).

Физики из Ноттингемского университета предложили оригинальный способ компенсации гравитации. Они решили эту проблему, используя диамагнитную левитацию водяных капель (рис. 2). Результаты своих экспериментальных изысканий ученые из Ноттингема опубликовали в журнале Physics Review Letters в статье Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet (статья находится в открытом доступе).

Дело в том, что некоторые вещества по своей магнитной природе являются диамагнетиками (например, та же вода), то есть слабо пропускают внутрь себя магнитное поле (идеальным диамагнетиком является сверхпроводник).

Однако частично, на небольшую глубину, магнитное поле всё же проникает в диамагнитное вещество и генерирует на его поверхности электрический ток. Этот ток создает в диамагнетике собственное магнитное поле, которое как бы отталкивается от поля внешнего. Таким образом, сопротивление проникновению внешнего магнитного поля и заставляет диамагнетики зависать, или левитировать, в пространстве. Но необходимо понимать, что для возникновения диамагнитной левитации внешнее поле должно быть очень сильным. В опытах с водяными каплями магнитное поле, заставляющее капли зависать, по физическим меркам было гигантским — 16,5 Тл (в несколько десятков тысяч раз сильнее магнитного поля Земли). Интересно, что таким образом можно заставить левитировать не только водяные капли, но даже кузнечиков и лягушек (см. видео).

После того как задача об уничтожении силы тяжести была успешно решена (проблема окружающей среды при этом решении уже отпадает — вязкое трение со стороны воздуха ничтожно), необходимо было придумать механизм, который заставил бы жидкость внутри подвешенных водяных капель вращаться так же, как в опытах Плато. Решение этой задачи тоже оказалось «магнитным». Ученые создали «жидкий электрический мотор»: в каплю вставлялось два тонких золотых электрода, один из которых совпадал с осью симметрии капли (рис. 2а); через электроды пропускался ток, направление протекания которого было перпендикулярно силовым линиям внешнего магнитного поля.

В итоге возникающий момент силы Лоренца заставлял жидкость внутри капли вращаться, и частота этого вращения зависела от силы тока, протекающего между электродами (рис. 2b). Интересной дополнительной особенностью «жидкого электрического мотора» является способность неосевого (то есть несовпадающего с осью симметрии капли) электрода создавать на капле поверхностные волны небольшой амплитуды. Для чего это было необходимо, станет ясно дальше.

С помощью изобретенной авторами статьи техники удалось наблюдать различные формы капель. В частности, при вращении жидкости внутри таких объектов, согласно теоретическим предсказаниям, существует возможность наблюдать их переход из двудольной формы в треугольную (трехдольную), причем последняя структура, как предсказывает та же теория, должна быть неустойчива. На примере водяной капли объемом 1,5 мл (что соответствует диаметру 14 мм), у которой с помощью поверхностно-активного вещества коэффициент поверхностного натяжения уменьшен вдвое, английские ученые впервые показали, что, вопреки теоретическим предсказаниям, можно добиться устойчивости треугольной формы. Стабилизация достигалась за счет комбинации вращения капли и генерирования на ней поверхностных волн. Таким образом, поверхностные волны играли роль своего рода стабилизатора треугольной формы водяной капли.

Как оказалось, возбуждение на капле поверхностных волн вкупе с ее вращением позволяет получить значительное многообразие форм водяных капель, о которых Плато, возможно, даже и не догадывался.

На рис. 3 приведена временная эволюция 1,5 мл водяной капли с поверхностно-активным веществом в своем составе при изменении частоты вращения (rps — количество оборотов в секунду). Несколько пояснений к графику. При малой частоте вращения и отсутствии поверхностных волн на капле ее форма напоминает сплюснутый сфероид (oblate spheroid) — проще говоря, форма капли овальная. После того как с помощью тока были активизированы поверхностные волны, а скорость вращения жидкости внутри капли продолжала увеличиваться, ее форма трансформировалась в сильно вытянутый овал — иными словами, стала двудольной (красная область на графике и снимок M1b под графиком). Желтый участок графика соответствует области, когда капля начинает вращаться вокруг своей оси как твердое тело (как единое целое) и когда одновременно с этим по капле «гуляют» поверхностные волны. В итоге капля выглядит так, как это показано на фотографии M1c — ученые такую форму капли назвали двудольная статическая + вращающаяся.

Дальнейшее увеличение силы тока и скорости вращения превращает каплю из овальной (двудольной) в треугольную (при этом динамическое поведение капли не твердотельное) — зеленая область на графике и фото М2. Далее, когда поверхностные волны стабилизировали такую структуру водяной капли, увеличивая скорость вращения можно добиться явления, при котором капля начинает себя вести подобно твердому телу — вращается как единое целое. На графике эта область отражена синим цветом (см. также фото М4). Обращает на себя внимание существование переходной области, когда капля только начинает себя вести как твердое тело (см. фото М3). На графике такая область соответствует градации зеленого и синего цветов.

Несколько богаче в эволюционном отношении проявляет себя капля воды объемом 3 мл уже без добавок поверхностно-активных веществ (рис. 4). До некоторого времени поведение большей капли ничем качественно не отличается от рассмотренного выше. Однако, как это видно из рис. 4, на пятой минуте эксперимента при монотонно возрастающей угловой скорости вращения жидкости есть возможность наблюдать четырех- и даже пятиугольную форму капли (голубая и фиолетовые области на графике и фото М10 и М11), которая, однако, не ведет себя как твердое тело. Справедливости ради отметим, что такая форма не является устойчивой и со временем вырождается в двудольную (сильно вытянутый овал, фото М12), поведение которой соответствует вращающемуся твердому телу.

Здесь в виде zip-архива представлена галерея из 12 коротких фильмов, показывающих эволюцию водяных капель, изученных английскими учеными. Приведенные выше фото М1–М12 являются стоп-кадрами этих фильмов и соответствуют названиям фильмов: на видеофайлах М1–М4 заснята капля 1,5 мл, М5–М12 показана капля воды объемом 3 мл.

Эксперименты с каплями воды, по мнению ученых, представляют не только академический интерес. Поскольку стабилизация формы капли происходила вследствие сложного взаимодействия ее вращения и поверхностных волн на ней, то результаты опытов могут быть использованы в описании схожих физических явлений — как значительно большего (астрономического), так и меньшего (ядерного) масштаба. Например, при изучении формы объектов пояса Койпера, горизонта событий черных дыр или при исследовании форм быстровращающихся атомных ядер. (Кстати, заметим, что идея использовать «капельный» подход в описании характеристик атомных ядер уже довольно стара — достаточно вспомнить о полуэкспериментальной формуле Вайцзеккера, которая описывает энергию связи атомных ядер; правда, само это выражение на современном этапе развития науки уже не используется.)

Источник. R. J. A. Hill, L. Eaves. Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet (полный текст — PDF, 3,45 Мб, дополнительные материалы к статье — PDF, 287 Кб) // Physical Review Letters, 101, 234501 (2008).

См. также:
Vitor Cardoso. The many shapes of spinning drops (комментарий к обсуждаемой статье).

Источник

Физика жидкости в условиях невесомости

Роль силы поверхностного натяжения в условиях невесомости. Форма поверхности жидкости, смачиваемость и капиллярность в невесомости. Правила употребления напитков в космосе. Кипение воды в невесомости. Сравнение свойств жидкости на Земле и в невесомости.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

на тему: Физика жидкости в условиях невесомости

О роли силы поверхностного натяжения в условиях невесомости.

В обычных земных условиях, на любую жидкость, налитую в сосуд действует несколько сил. В результате воздействия силы тяжести, она постоянно находится на дне сосуда, в который налита. Так же имеют место силы поверхностного натяжения жидкости, которые постоянно стремятся уменьшить площадь поверхности жидкости.

Именно благодаря этой силе даже игла может плавать на поверхности воды. Именно благодаря силе поверхностного натяжения, струя воды «слипается» в цилиндр. В земных условиях силы поверхностного натяжения малы по сравнению и действие этих сил не всегда заметно.

И тут, главную роль начинают играть силы поверхностного натяжения.

1. Форма поверхности жидкости в условиях невесомости

Если выплеснуть жидкость из сосуда, она не польётся на пол (невесомость же), а будет плавать по кабине корабля. Не просто плавать, а плавать, собравшись в шар и, чтобы его разрушить, нужны немалые усилия.

Впервые подобный опыт в 1863 году поставил бельгийский физик Жозеф Плато. Бельгийский ученый также провел эксперименты по вращению капли и наблюдению за происходящими с ней в результате этого метаморфозами. Плато удалось установить, что, по мере возрастания скорости вращения, капля меняла свою форму с шарообразной на овальную. И, наконец, при очень большой скорости вращения капля становилась тором.

Физики из Ноттингемского университета провели ряд экспериментов по определению формы водяных капель, подвешенных в пространстве с помощью диамагнитной левитации. Было показано, что при определенных условиях капли в равновесии могут принимать не только шарообразную или овальную форму, но также треугольную, четырех- и даже пятиугольную. Результаты исследований могут быть использованы для объяснения структур астрономических объектов (черные дыры, пояс Койпера и других).

2. Смачиваемость и капиллярность в невесомости

В земных условиях вода, смачивая поверхность обезжиренного стекла, растекается по всей его поверхности. Это происходит потому, что силы притяжения между молекулами воды оказываются меньше, чем силы притяжения между молекулами воды и стекла.

В невесомости водяной шарик целиком не растекается по стеклу. Силы поверхностного натяжения стараются сохранить форму капли, не давая ей стекать со стеклянной пластинки. Из-за того, что вода не растекается, космонавты могут мыть голову, не снимая одежды, правда при этом воду и шампунь им приходится втирать в волосы с помощью тампона.

Известно, что в земных условиях, жирная поверхность, например поверхность пластилина, плохо смачивается, и капли воды не задерживаются на его поверхности, ведь силы притяжения между молекулами воды в этом случае больше, чем между молекулами воды и пластилина. Но в невесомости достаточно даже небольшого эффекта смачивания для того, чтобы водяной и пластилиновый шарик сцепились, а при большом желании и упорстве можно постараться шарик из пластилина даже закутать в водяную одежду. Как мы видим, малые по сравнению с силой тяжести силы поверхностного натяжения в условиях невесомости оказываются очень значимыми.

3. Как пить в космосе

Отсутствие в жидкости сил давления, зависящих от глубины погружения, приводит к тому, что в невесомости жидкость в сообщающихся сосудах не должна находиться на одинаковых уровнях, поэтому жидкость не будет выливаться из носика чайника, из горлышка бутылки и т.д. Жидкость из сосудов приходится либо выдавливать, либо выталкивать при помощи поршня.

Когда космонавта Александра Сереброва спросили о физических явлениях, связанных с невесомостью, он рассказал о необычности того, к чему каждый из нас привык в повседневной жизни. На Земле, чтобы налить воду в бутылку, подставляют горлышко под струю. В космосе в условиях невесомости жидкость не будет накапливаться на дне сосуда, она будет «плавать» внутри бутылки в виде шаровых капель разного размера. Заполнение сосуда водой вызовет вытеснение из него воздуха, но вместе с воздухом из сосуда будут «выплывать» взвешенные в нем капли воды. Если же струю с маленькой скоростью направить сразу на стенку сосуда, то вода, смачивая стенку, будет прилипать к ней. Взвешенных капель не будет (по крайней мере, до тех пор, пока сосуд не встряхивают). Чтобы достать воду, бутылку необходимо либо встряхивать, либо раскрутить так, чтобы жидкость прижалась к ее стенкам, либо использовать шприц.

Александр Серебров применил свой способ, помещая внутрь сосуда длинный и узкий предмет, например, черенок ложки, к которому капли прилипают за счет сил поверхностного натяжения. Жидкость «расползается» по черенку и подходит к краю горловины сосуда.

Сообщается, что именно благодаря наличию у этой чашки острого ребра из нее можно пить в невесомости.

По словам создателя, похожая технология используется при создании топливных баков для космических аппаратов, летающих в невесомости.

В основе работы чашки лежит смачивание. На Земле оно отвечает за промокание, растекание жидкости по поверхности, а также за ее движение по капиллярам.

В невесомости этот эффект позволяет кофе оставаться в чашке, а не улетать в свободный полет при малейшем шевелении сосуда, но лишь при правильном подборе материала чашки и количества жидкости. Однако при этом кофе невозможно пить, поскольку если в обычных условиях при наклоне сосуда жидкость начинает течь под воздействием силы тяжести, то в невесомости этого не происходит.

Именно для решения этой проблемы у чашки имеется угол. Как показывает теория, если его величина меньше некоторого значения, которое зависит от жидкости и материала, то в результате смачивания жидкость сама «поползет» по желобу вверх к потребителю.

4. Кипение воды в невесомости

А вот будет ли действовать в невесомости выталкивающая или Архимедова сила? Вспомним, что ее происхождение связано с разностью весовых давлений жидкости или газа на верхнюю и нижнюю поверхности тела. В результате того, что давление снизу оказывается больше, возникает выталкивающая сила, направленная против силы тяготения и равная по величине весу вытесненной жидкости или газа. Но в космосе нет веса, а значит, и нет выталкивающей силы, она в невесомости не действует. Это сказывается на процессах в жидкости, содержащей пузырьки пара или газа.

Еще несколько лет назад никто не знал, что представляет собой процесс кипения в космосе. Конечно, физики ломали голову, анализируя сложный характер кипения здесь, на Земле. Про космос же только предполагали, что зрелище будет еще более захватывающее.

В начале 90-х годов группа ученых из университета Мичигана и НАСА решила заняться изучением этого вопроса.

Вообще-то на орбите кипение представляет собой более простой процесс, чем на Земле. Нагретая жидкость не поднимается, а остается рядом с нагревающей поверхностью и нагревается дальше. Те области жидкости, которые находятся на некотором расстоянии от источника тепла, остаются относительно холодными. Поскольку нагревается меньший объем воды, процесс происходит быстрее. По мере формирования пузырьков пара, они не поднимаются на поверхность, а объединяются в гигантский пузырь, который колеблется в жидкости.

Краткое сравнение свойств жидкости на Земле и в невесомости.

Итак, жидкости ведут себя в невесомости совсем не так, как на Земле.

· На Земле: поведение жидкостей в большей степени определяется действием силы тяжести. В космосе: жидкостями управляет сила поверхностного натяжения.

· На Земле: можно легко разделить капельку жидкости шарообразной формы. В космосе: для этого придется приложить немалые усилия.

· На Земле: несмачиваемые жидкости не смачивают поверхность. В космосе: достаточно небольшого прикосновения несмачиваемой жидкости для того, чтобы смочить поверхность

· На Земле: если встряхнуть бутылку с какой-либо жидкостью, то она (жидкость) вернется в исходное состояние. В космосе: водяные шарики могут вести себя как «упругие мячики», неоднократно отскакивая от той же жидкости, из которой они изготовлены.

· Из-за отсутствия в невесомости Архимедовой силы и естественной конвекции по-другому кипят жидкости, намного медленнее замерзает капля воды.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Сила поверхностного натяжения, это сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности. Действие сил поверхностного натяжения. Метод проволочной рамки. Роль и проявления поверхностного натяжения в жизни.

реферат [572,8 K], добавлен 23.04.2009

Исследование зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры, природы граничащей среды и растворенных в жидкости примесей. Повышение давления газов над жидкими углеводородами и топливом. Расчет поверхностного натяжения системы «жидкость-пар».

реферат [17,6 K], добавлен 31.03.2015

Сущность и характерные особенности поверхностного натяжения жидкости. Теоретическое обоснование различных методов измерения коэффициента поверхностного натяжения по методу отрыва капель. Описание устройства, принцип действия и назначение сталагмометра.

реферат [177,1 K], добавлен 06.03.2010

История возникновения баллистического движения. Баллистика как наука. История открытия закона всемирного тяготения. Применение баллистики на практике. Траектория полета снаряда, баллистической ракеты. Перегрузки, испытываемые космонавтами в невесомости.

реферат [624,6 K], добавлен 27.05.2010

Основное свойство жидкости: изменение формы под действием механического воздействия. Идеальные и реальные жидкости. Понятие ньютоновских жидкостей. Методика определения свойств жидкости. Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение.

лабораторная работа [860,4 K], добавлен 07.12.2010

Источник

Поверхностное натяжение

Понятие и характеристики поверхностного натяжения

С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день:

Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое.

Потенциальная энергия взаимного притяжения молекул жидкости больше их кинетической энергии. Это позволяет веществу сохранять объем (но не форму), и этот объем ограничивается поверхностью жидкости.

На молекулу жидкости, которая находится внутри, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на ту молекулу, что находится на поверхности, действуют силы притяжения не только со стороны других молекул жидкости, но и со стороны газа (внешней среды). Эти вторые значительно меньше первых, поэтому равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности.

Поверхностное натяжение — это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, то есть уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, и тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:

Поверхностная энергия жидкости

W = σS

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Отсюда мы можем вывести формулу коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения

σ = W/S

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит:

Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью.

Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как капля воды или мыльный пузырь. Так же ведет себя вода в невесомости. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения

F = σl

F — сила поверхностного натяжения [Н]

l — длина контура, ограничивающего поверхность жидкости [м]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели, не дающие ей собираться в капли на какой-либо поверхности. Например, их добавляют в жидкие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности пятен после высыхания.

Источник