Zašto je kap vode u obliku lopte. Zašto je ispuštanje okruglo

"članak" Kap vode - takva kakva je". Gdje ćemo pričati o tome šta je kap vode, po čemu se razlikuje od ne-kapi i drugim zanimljivostima.

Kap vode – takva kakva jeste – jedan je od načina da izbliza pogledamo svijet oko nas. Gledajte na to drugim očima, iz drugog ugla - ne uobičajenog, već drugačijeg. U našem slučaju, malo naučnije.

Dakle, u većini slučajeva, kap vode se percipira kao vodena kugla, koja iritira kada kaplje iz slavine, a raduje kada pada kiša izvan prozora.

Ali ovo je samo na prvi pogled. Dakle, prema rječniku:

Kap je mala količina tekućine koja zbog prianjanja svojih čestica poprima zaobljen oblik. Težina kapi zavisi od temperature, od supstance tela od koje je kap odvojena, od dimenzija ovog tela i od površinskog napona tečnosti.

Kap je mala zapremina tečnosti koja je omeđena okretnom površinom ili blizu nje. Oblik kapi određen je djelovanjem sila površinskog napona i vanjskih sila.

Površinski napon je sila kojom se molekuli supstance privlače duboko u materijal. Postoje, naravno, i nejasnija objašnjenja (površinska napetost je rad reverzibilnog izotermnog formiranja jedinice površine ove površine, BES materijala). Ali u stvari, sve je prilično jednostavno. U slučaju vode, površinski napon vode nije ništa drugo do molekule vode koje privlače jedna drugu. Kao gvozdena prašina oko magneta.

Dakle, imamo dvije sile - molekuli vode se međusobno privlače. Shodno tome, kada se privlače jedno drugo pod određenim uslovima, formiraju se kapi.

Uslovi formiranja kapi:

kada tečnost iscuri sa ruba površine ili iz malih rupica (ista kap pada iz slavine).
kada se para kondenzuje:
- a) na tvrdoj podlozi koja se ne kvasi;
- b) na centrima kondenzacije. (primjer je kada se nešto donese sa hladnoće zamagli).
prilikom prskanja tečnosti (usput, tečnost za prskanje se koristi u gašenju požara).
emulgiranje (miješanje jedne tekućine u drugu koja je u njoj nerastvorljiva; na primjer, emulgiranje se događa kada se pomiješaju ulje i voda).
rosa nastaje kada se vodena para kondenzuje na površinama, magla i oblaci - kada se vodena para kondenzuje na česticama prašine u vazduhu.

U svakom slučaju, okolnosti formiraju vrlo male količine vode. Pa, onda naša površinska napetost koja je gore proučavana stupa na snagu.

dakle, oblik kapljice određena je djelovanjem površinske napetosti (već smo utvrdili šta je to) i vanjskih sila (prvenstveno gravitacije). Mikroskopske kapi, za koje gravitacija ne igra odlučujuću ulogu, imaju oblik lopte - tijela s minimalnom površinom za dati volumen (budući da se molekuli vode jednoliko privlače jedni prema drugima). Velike kapi u zemaljskim uslovima imaju sferni oblik samo ako su gustine tečnosti kapi i njenog okruženja jednake.

Padanje kapi kiše pod uticajem gravitacije, pritiska nadolazećeg strujanja vazduha i površinske napetosti poprimaju izduženi oblik. Na nemočivim površinama, kapljice imaju oblik spljoštene lopte. Inače, kapi kiše ne mogu biti veće od 5 mm, jer se krupne kapi drobe u vazduhu.

Oblik kapi je aerodinamički optimalan, jer ima površinu koja najmanje sprječava otpor zraka tokom leta.

Dakle, kap vode, takva kakva jeste, je slučajnost.

Neki od njih su odgovorni za mljevenje vode u male porcije, dok su drugi odgovorni za privlačenje molekula vode jedni prema drugima.

Na osnovu materijala http://voda.blox.ua/2009/05/Chto-takoe-KAPLYa-VODY.html

Navikli smo na ideju da kap ima oblik lopte. Zapravo, gotovo nikada nije lopta, iako ova forma daje najmanji volumen.

Kap koja leži na horizontalnoj površini je spljoštena. Kap koja pada u vazduh ima složen oblik. I samo kap u bestežinskom stanju poprima sferni oblik.

Velika sovjetska enciklopedija pruža trenutne fotografije padajućih kapi kiše. Konkretno, kap promjera 6 mm ima oblik blizak obliku klobuka gljive; kapljice manjeg prečnika imaju oblik blizak sferi.

Formiranje kapljica se može opisati sa tri karakteristična stanja. Stanje A odgovara početku stvaranja kapljica: površina tekućine na kraju cijevi je horizontalna, polumjer zakrivljenosti joj je vrlo velik, sile površinskog napona usmjerene su okomito na zid cijevi i ne sprječavaju istjecanje tekućine. Nakon kratkog vremena, kap prelazi u stanje B, koje karakteriše najveća Laplasova sila, koja usporava brzinu formiranja kapi, a samim tim i brzinu istjecanja. U ovom stanju, radijus zakrivljenosti površine r. Tada se volumen kapi povećava, prelazi u stanje C, koje karakterizira glavnu fazu formiranja kapi: Laplasova sila je velika, ali manja nego u stanju B, i dalje opada s povećanjem radijusa kapi; vrijeme akumulacije mase potrebne za odvajanje je veliko u odnosu na vrijeme prijelaza iz stanja A u stanje B, brzina protoka se i dalje smanjuje.

radijus pada

Pad kišne kapi, zbog relativnosti mehaničkog kretanja, može se, u prvoj aproksimaciji, zamijeniti plutanjem kapi u uzlaznom strujanju zraka.

Ponovili smo eksperiment opisan u časopisu. Kapi su stavljene u vazdušni mlaz pomoću medicinskog šprica. Da bi se to učinilo, kraj igle je stavljen u mlaz zraka i, polako istiskujući vodu iz šprica, dobivale su se kapi različitih volumena. Kapi se zbog vlaženja mogu zadržati na igli neko vrijeme. U ovom trenutku se već može jasno uočiti oblik kapi. Nakon nekog vremena, kap se odlomi od vrha igle i visi u zraku nekoliko sekundi. Ovo vrijeme je dovoljno da se ispitaju oblici kapljica različitih veličina ili da se fotografišu.

U toku istraživanja pokazalo se da kapi malog prečnika zaista imaju oblik blizak lopti, a kapi većeg prečnika imaju oblik koji podseća na klobuk pečurke.

Promatranje raspadanja kapi u prsten i interakcije prstenova

Odlučili smo se za promatranje raspadanja kapi u prsten kako bismo provjerili valjanost podataka koje su iznijeli autori o ponašanju kapi mastila na površini i unutar vode. Tokom eksperimenta zabilježili smo da gušća tekućina teži prema dolje prema zakonima koje opisuje Rayleigh-Taylor nestabilnost, uz nastanak vrtloga.

Za to smo koristili prozirnu staklenu posudu, koja je bila napunjena vodom. Odabrane su kapilare različitih prečnika i tako su dobijene kapi različitih radijusa.

Ponašanje kapljice tinte ovisi o nekoliko parametara: ako tekućina ima veliku gustoću, na primjer, otopina natrijevog klorida, ili kap padne s velike visine i velikom brzinom udari u površinu tekućine, tada se razbije na komade i ne prodire duboko u tečnost. Ali ako je gustoća tekućine nešto manja od gustoće tinte, a kap padne s visine od nekoliko centimetara, tada se s njom događaju zanimljive transformacije.

Ako pažljivo donesete kapljicu tinte na samu površinu i dodirnete je, tada će se kap odmah uvući u vodu i početi se kretati prema dolje velikom brzinom. Kap dobija ovu brzinu pod dejstvom međusobnog privlačenja molekula tečnosti. Sile koje nastaju u ovom slučaju nazivaju se silama površinskog napona jer uvijek teže da smanje slobodnu površinu tekućine, uvlačeći je i izravnavaju sve neravnine na njoj.

Prvo se kapljica mastila uroni u vodu velikom brzinom, ali se zatim njeno kretanje usporava. Razlog za ovo kretanje je Arhimedova sila, koja gotovo uravnotežuje silu gravitacije i silu trenja između kapi i mirne vode. Budući da sila trenja djeluje samo na vanjsku površinu kapi, nakon prolaska nekoliko centimetara, kap se pretvara u rotirajući prsten.

Mehanizam formiranja vrtložnog prstena je prilično jednostavan: bočna površina kapi se usporava u odnosu na mirnu vodu i počinje zaostajati za unutrašnjim dijelom. Mjesto neuspjele sredine zauzima čista voda.

Prsten ne ostaje dugo savršeno okrugao: njegova rotacija se usporava, a na njemu se pojavljuju otekline i udubljenja. Ovaj fenomen se naziva Rayleigh-Taylor nestabilnost, što znači da sloj teške tečnosti koji leži na sloju lakše tečnosti može biti u ravnoteži, ali će ta ravnoteža biti nestabilna. Čim se sučelje tečnosti blago zakrivi, teška tečnost će juriti u udubljenja, a laka će početi da pluta, povećavajući oticanje. Ovo je potpuno prirodno: tečnosti imaju tendenciju da zauzmu položaj stabilne ravnoteže, kada je lagana na vrhu, a teška na dnu.

Kretanje mlaza u stacionarnoj tekućini po mnogo čemu podsjeća na kretanje jedne kapi: pod djelovanjem viskoznih sila na kraju mlaza se ponovo formira vrtložni prsten koji za nekoliko sekundi ispod djelovanje Rayleigh-Taylorove nestabilnosti, sam će proizvesti 2-3 mlaza. Ovaj proces "pupanja" se ponavlja nekoliko puta dok mastilo ne dođe do dna limenke, ostavljajući za sobom trag.

Prilikom proučavanja interakcije vrtložnih prstenova, u trenutku kada su na istoj visini, oni počinju međusobno djelovati. Moguća su tri slučaja.

Prvi slučaj - drugi prsten prestiže prvi bez dodirivanja. U ovom slučaju dolazi do sljedećeg. Prvo, tokovi vode iz oba prstena, takoreći, odbijaju prstenove jedan od drugog. Drugo, detektuje se protok mastila iz prvog prstena u drugi: tokovi vode drugog prstena su intenzivniji i nose mastilo sa sobom. Ponekad dio ove tinte prolazi kroz drugi prsten, što uzrokuje stvaranje novog malog prstena. Tada se prstenovi počinju dijeliti, nismo mogli primijetiti ništa zanimljivo dalje.

Drugi slučaj - drugi prsten dodiruje prvi pri preticanju. Kao rezultat toga, intenzivniji tokovi drugog prstena uništavaju prvi. U pravilu se od ugruška mastila preostalog od prvog prstena formiraju novi mali vrtlozi.

Treći slučaj - prstenovi doživljavaju centralni udar. U ovom slučaju, drugi prsten prolazi kroz prvi i smanjuje se u veličini, dok se prvi, naprotiv, širi. Kao iu prethodnim slučajevima, to se događa zbog međusobnog djelovanja vodenih tokova iz jednog prstena u drugi. U budućnosti se prstenovi počinju dijeliti.

Stranica 2

Kap tečnosti može se proširiti po površini ako je površina dobro navlažena, a ako je površina slabo navlažena, onda se kap neće širiti.

Kap tekućine na površini čvrste tvari može se ili proširiti u tanki film ili ostati na površini u obliku sočiva.

Kap tečnosti taložena na čvrstu površinu ne formira odmah konstantan kontaktni ugao na njoj.

Kapljica tekućine širi se po čvrstoj površini pod utjecajem privlačenja molekula tekućine na čvrsti molekul, uključujući i duž perimetra kapi na udaljenosti djelovanja molekularnih sila, kao i pod utjecajem gravitacije. Širenje je spriječeno kohezivnim silama privlačenja molekula tekućine jedna prema drugoj. Nanošenje ulja sa aditivima na metalne površine često se odvija u nekoliko faza.

Kap tečnosti (nakon dodavanja kapi vode i hlađenja) se pomeša sa rastvorom difenilamina u koncentrovanoj sumpornoj kiselini.

Kap tečnosti A stavlja se na srebrni novčić. Brza pojava smeđe-crne mrlje, neizbrisive vodom, ukazuje na prisustvo sumpora.

Mala kap tečnosti koja sadrži ćeliju stavlja se na polirani rub kapilare komore i ćelija se posmatra pomoću mikroskopa. Ako ćelija slobodno lebdi u tečnosti, kao, na primer, u slučaju Paramecijuma, tada se može brzo uneti u cev; u suprotnom, treba ga uvesti u kapilaru tankom iglom. Nakon što se ćelija unese u kapilaru, voda ili tekućina u kojoj se ćelija nalazila se obriše i otvor komore se zatvori pokrivnim staklom namazanim tankim slojem vazelina. Stavite epruvetu u vodu unutrašnje Dewarove čaše i ponovo napunite čašu rastvorom natrijum hidroksida. Nakon otprilike sat vremena postignuta je temperaturna ravnoteža, tankom pipetom uklonite alkalnu otopinu iz čaše i obrišite je pamučnim štapićem. Sat vremena kasnije, meniskus se uvodi u vidno polje mikroskopa. Uvećanje mikroskopa treba da bude takvo da približno 100 prečnika kapilara stane u vidno polje. Okularni mikrometar treba umetnuti u okular mikroskopa. Promatrajte brzinu kretanja meniskusa i zabilježite je u jedinicama podjele mikrometarske skale. Tokom merenja, temperatura i pritisak se periodično prate; ako se primetno promene, rezultati merenja se smatraju nepouzdanim i odbacuju se.

Ako se kap tekućine formira kao rezultat ubrizgavanja plina, tada je turbulencija koja nastaje unutar nje toliko velika da se otpor difuzije njenog površinskog sloja pokazuje vrlo malim. Korišćenje principa ubrizgavanja omogućava da se proces apsorpcije izvede sa visokim stepenom intenziteta.

Zašto kap tečnosti ima tendenciju da bude sferna?

Ako se kap tečnosti stavi u turbulentni tok tečnosti koja se sa njom ne meša, onda se ona raspada pod uticajem turbulentnih pulsacija. U ovom slučaju, pulsacije velikih razmjera, koje se relativno malo mijenjaju na udaljenostima reda veličine kapi, ne utječu na njega; deformacije i drobljenje nastaju malim pulsacijama. Efekt drobljenja u velikoj mjeri ovisi o činjenici da će u turbulentnom strujanju brzina tekućine vanjske faze blizu površine globula u njene dvije točke biti različita.

Ako kap tečnosti legne na površinu koja nije navlažena ovom tečnošću, onda se ona spljošti pod dejstvom gravitacije. Međutim, površinski napon sprečava da se pad spljošti beskonačno, jer spljoštenje znači povećanje površine.

Ako se kap tečnosti stavi na površinu druge tečnosti ili čvrste materije koja se sa njom ne meša, ona se može ili širiti ili ostati u obliku kapi koja se ne širi. Ovo u potpunosti ovisi o površinskim naponima obje tekućine i o međufaznoj napetosti između njih; isto važi i ako je donja faza čvrsta.

Sigurno ste primijetili da nasumično raspršene kapi uvijek imaju okrugli oblik. Zašto je spuštanje okruglo?

Ako bolje pogledate, vidjet ćete da oblik kapi uopće nije savršeno okrugao. Na primjer, ako pogledate kapi kiše odozdo, izgledaju gotovo ravne. Idealna lopta je moguća samo u uslovima bestežinskog stanja. A pošto smo na Zemlji, kap (kao i sva tijela na našoj planeti) je izložena privlačne sile. To ga čini blago spljoštenim. Dakle, oblik kapi pre nije kugla, već elipsoid, iako sa vrlo malom međužižnom udaljenosti.

Koja druga sila, osim sile privlačenja, djeluje na kap? Sila površinske napetosti. Da bismo objasnili kako to funkcionira, okrenimo se kursu molekularne fizike. Površina kapi može se smatrati filmom koji se sastoji od molekula, a molekuli njegovih vanjskih slojeva nisu u jednakim uvjetima s molekulima unutrašnjih. Molekuli vanjskog sloja filma imaju veću slobodnu energiju. U nastojanju da ispuste višak energije i pokušavajući da prodru u unutrašnje slojeve kapi, stvaraju pritisak. Vektor sile pritiska je uvek usmeren ka centru pada. A sila kojom molekuli vanjskih slojeva kapi vrše pritisak na molekule unutrašnjih slojeva naziva se sila površinskog napona.

Dakle, što su kapi manje, to su okruglije - skupljaju se u kuglu silom površinske napetosti. Ali veće kapi imaju izdužen oblik, jer su preteške i ta sila više nije dovoljna da ih zadrži u obliku lopte.

Ali ostaje otvoreno pitanje: zašto je još uvijek sfernog oblika? Gornja teorija to ne objašnjava u potpunosti. Činjenica je da su na sfernoj površini svi molekuli koji se nalaze na njoj u jednakom energetskom stanju. Drugim riječima, sferna površina je energetski najstabilnija, jer je upravo ta pozicija najkorisnija za sistem. Općenito, lopta je najkompaktniji oblik u prirodi.

Ako je kap rastegnuta, tada molekuli koji se nalaze na rastegnutim regijama dobijaju veći višak energije. U nastojanju da izbaci višak energije, molekuli ponovo vraćaju kap u prvobitno stanje, što na kraju dovodi sistem u ravnotežu.

Kao što slijedi iz gore navedenog, površinska napetost, takoreći, drži vodu u elastičnoj "koži" - ljusci. Ovaj omotač uzrokuje da kap visi sa kraja slavine. Ako pad postane prevelik, školjka ne izdrži, pukne i kap padne.

Zahvaljujući sili površinske napetosti, sićušni insekt vodoskok može hodati po površini vode, a da ne zaroni u nju. A gušter bazilisk može lako preći rijeku ili malo jezero na površini vode.

Možete li da napravite ravnu kap vode? Da, i vrlo je jednostavno. Potrebno ga je nježno dodirnuti vrhom sapunaste slamke. Kap postaje ravna jer sapun slabi površinski napon vode - i njegova snaga više nije dovoljna da kap zadrži u obliku lopte.

Kako se prave mjehurići od sapunice? Kada u vodu dodamo sapun, površinska napetost se smanjuje, a površina vode se na neki način rasteže i postaje elastičnija - toliko elastična da možete u nju uduvati zrak i proširiti ga u mjehur. To je poput punjenja balona vodom.

Dakle, kap vode nije okrugla, već elipsoidna. Školjke različitih tečnosti imaju različite stepene čvrstoće. Na primjer, alkohol ima nižu površinsku napetost od vode, pa stvara manje kapljice. Živa, s druge strane, ima površinsku napetost 6 puta veću od one vode, pa kada se termometar razbije, raspada se na mnogo malih kuglica.