Zašto kap vode ima oblik lopte. Zašto je kap okrugla

"članak" Kap vode - takva kakva jest". Gdje ćemo razgovarati o tome što je kap vode, kako se razlikuje od ne-kapljice i drugim zanimljivostima.

Kap vode - ovakva kakva jest - jedan je od načina da izbliza pogledamo svijet oko nas. Gledajte to drugim očima, iz drugog kuta – ne uobičajenog, nego drugačijeg. U našem slučaju, malo znanstvenije.

Dakle, u većini slučajeva, kap vode se percipira kao lopta vode, koja iritira kada kaplje iz slavine, a godi kada pada kiša ispred prozora.

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

Kap je mala količina tekućine koja zbog prianjanja svojih čestica poprima zaobljen oblik. Težina kapi ovisi o temperaturi, o tvari tijela od kojeg je kap odvojena, o dimenzijama tog tijela i o površinskoj napetosti tekućine.

Kap je mali volumen tekućine omeđen površinom rotacije ili blizu nje. Oblik kapi određen je djelovanjem sila površinske napetosti i vanjskih sila.

Površinska napetost je sila kojom se molekule tvari privlače duboko u materijal. Postoje, naravno, nejasnija objašnjenja (površinska napetost je rad reverzibilnog izotermalnog formiranja jedinice površine ove površine, BES materijala). Ali zapravo je sve vrlo jednostavno. U slučaju vode, površinska napetost vode nije ništa drugo nego molekule vode koje se međusobno privlače. Kao željezna prašina oko magneta.

Dakle, imamo dvije sile – molekule vode privlače jedna drugu. Sukladno tome, kada se pod određenim uvjetima međusobno privlače, nastaju kapi.

Uvjeti stvaranja kapi:

• kada tekućina otječe s ruba površine ili iz malih rupa (ista kap koja pada iz slavine).
• kada se para kondenzira:
  • a) na tvrdoj površini koja se ne moči;
  • b) na centrima kondenzacije. (primjer je kada se nešto donese iz hladnoće magli).
• prilikom prskanja tekućine (usput, tekućina za prskanje se koristi u gašenju požara).
• emulgiranje (miješanje jedne tekućine u drugu koja je u njoj netopljiva; npr. emulgiranje nastaje kada se pomiješaju ulje i voda).
• rosa nastaje kada se vodena para kondenzira na površinama, magla i oblaci - kada se vodena para kondenzira na česticama prašine u zraku.

U svakom slučaju, okolnosti tvore vrlo male količine vode. Pa, onda naša površinska napetost proučena gore stupa na snagu.

Tako, oblik kapljice određena je djelovanjem površinske napetosti (već smo utvrdili o čemu se radi) i vanjskih sila (prvenstveno gravitacije). Mikroskopske kapi, kod kojih gravitacija ne igra presudnu ulogu, imaju oblik lopte - tijela s minimalnom površinom za određeni volumen (budući da se molekule vode jednoliko međusobno privlače). Velike kapi u zemaljskim uvjetima imaju sferni oblik samo ako su gustoće tekućine kapi i njezine okoline jednake.

Kišne kapi koje padaju pod utjecajem gravitacije, pritiska nadolazećeg protoka zraka i površinske napetosti poprimaju izduženi oblik. Na površinama koje se ne moče, kapljice poprimaju oblik spljoštene lopte. Usput, kapi kiše ne mogu biti veće od 5 mm, jer se velike kapi drobe u zraku.

Oblik pada je aerodinamički optimalan, jer ima površinu koja najmanje sprječava otpor zraka tijekom leta.

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

Neki od njih su odgovorni za mljevenje vode u male dijelove, dok su drugi odgovorni za međusobno privlačenje molekula vode.

Na temelju 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 ovaj oblik daje najmanje volumena.

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

Velika sovjetska enciklopedija pruža trenutne fotografije kišnih kapi koje padaju. Konkretno, kap promjera 6 mm ima oblik blizak obliku kapice gljive; kapljice manjeg promjera imaju oblik blizak sferi.

Stvaranje kapljica može se opisati s tri karakteristična stanja. Stanje A odgovara početku stvaranja kapljica: površina tekućine na kraju cijevi je vodoravna, njen radijus zakrivljenosti je vrlo velik, sile površinske napetosti usmjerene su okomito na stijenku cijevi i ne sprječavaju istjecanje tekućine. Nakon kratkog vremena kap prelazi u stanje B, koje je karakterizirano najvećom Laplacovom silom, koja usporava brzinu stvaranja kapi, a posljedično i brzinu istjecanja. U tom stanju radijus zakrivljenosti površine r. Tada se volumen kapi povećava, ona prelazi u stanje C, koje karakterizira glavnu fazu stvaranja kapi: Laplaciana sila je velika, ali manja nego u stanju B, i dalje opada s povećanjem radijusa kapi; vrijeme nakupljanja mase potrebne za odvajanje je veliko u usporedbi s vremenom prijelaza iz stanja A u stanje B, protok i dalje opada.

radijus pada

Pad kišne kapi, zbog relativnosti mehaničkog gibanja, može se u prvoj aproksimaciji zamijeniti lebdenjem kapljice u uzlaznoj struji zraka.

Ponovili smo eksperiment opisan u časopisu. Kapi su stavljene u zračni mlaz pomoću medicinske šprice. Da biste to učinili, kraj igle je stavljen u mlaz zraka i, polako istiskujući vodu iz šprice, dobivene su kapi različitih volumena. Kapi se, zbog vlaženja, mogu zadržati na igli neko vrijeme. U ovom trenutku već se jasno može uočiti oblik kapi. Nakon nekog vremena kap se odlomi s vrha igle i nekoliko sekundi visi u zraku. Ovo vrijeme je dovoljno da se ispitaju oblici kapljica raznih veličina ili da se one fotografiraju.

Tijekom istraživanja pokazalo se da kapljice malog promjera doista imaju oblik sličan kugli, a kapi većeg promjera imaju oblik koji podsjeća na šešir gljive.

Promatranje raspada kapljice u prsten i međudjelovanje prstenova

Odlučili smo promatrati raspad kapi u prsten kako bismo provjerili valjanost podataka koje su autori iznijeli o ponašanju kapi tinte na površini i u vodi. Tijekom eksperimenta smo zabilježili da gušća tekućina teži prema dolje prema zakonima koje opisuje Rayleigh-Taylorova nestabilnost, uz stvaranje vrtloga.

Da bismo to učinili, koristili smo prozirnu staklenu posudu, koja je bila napunjena vodom. Odabrane su kapilare različitih promjera i tako su dobivene kapi različitih radijusa.

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

Ako pažljivo prinesete kap tinte na samu površinu i dodirnete je, tada će kap odmah biti povučena u vodu i početi se kretati velikom brzinom prema dolje. Ovu brzinu kap dobiva djelovanjem međusobnog privlačenja molekula tekućine. Sile koje pritom nastaju nazivamo silama površinske napetosti jer uvijek nastoje smanjiti slobodnu površinu tekućine, uvlačeći je i izravnavajući sve neravnine na njoj.

Najprije se kapljica tinte velikom brzinom uroni u vodu, no zatim se njezino kretanje usporava. Razlog za to 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 što prijeđe nekoliko centimetara, kap se pretvara u rotirajući prsten.

Mehanizam nastanka vrtložnog prstena prilično je jednostavan: bočna površina kapi usporava se u odnosu na mirnu vodu i počinje zaostajati za unutarnjim dijelom. Mjesto propale 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-Taylorova nestabilnost, što znači da sloj teške tekućine koji leži na sloju lakše tekućine može biti u ravnoteži, ali će ta ravnoteža biti nestabilna. Čim se sučelje tekućina malo zakrivi, teška tekućina će pojuriti u udubljenja, a lagana će početi plutati, povećavajući oteklinu. To je potpuno prirodno: tekućine teže zauzeti položaj stabilne ravnoteže, kada je svjetlost na vrhu, a teška na dnu.

Gibanje mlaza u nepokretnoj tekućini umnogome podsjeća na gibanje jedne kapi: pod djelovanjem viskoznih sila na kraju mlaza ponovno se stvara vrtložni prsten koji se za nekoliko sekundi pod djelovanje Rayleigh-Taylorove nestabilnosti, sama će generirati 2-3 mlaza. Ovaj proces "pupanja" se ponavlja nekoliko puta dok tinta ne dosegne dno limenke, ostavljajući trag za sobom.

Pri proučavanju međudjelovanja 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 tom slučaju događa se sljedeće. Prvo, tokovi vode iz oba prstena, takoreći, odbijaju prstenove jedan od drugog. Drugo, otkriva se protok tinte iz prvog prstena u drugi: protok vode drugog prstena je intenzivniji i nosi tintu sa sobom. Ponekad dio te tinte prođe kroz drugi prsten, što uzrokuje stvaranje novog malog prstena. Zatim se godovi počinju dijeliti, dalje nismo mogli primijetiti ništa zanimljivo.

Drugi slučaj - drugi prsten dodiruje prvi prilikom pretjecanja. Kao rezultat toga, intenzivniji tokovi drugog prstena uništavaju prvi. U pravilu se stvaraju novi mali vrtlozi iz ugruška tinte koji je ostao od prvog prstena.

Treći slučaj - prstenovi doživljavaju središnji 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 protoka vode iz jednog prstena u drugi. U budućnosti, prstenovi počinju dijeliti.

stranica 2

Kap tekućine se može razliti po površini ako je površina dobro nakvašena, a ako je površina slabo namočena, tada se kap neće razliti.

Kapljica tekućine na površini krutine može se raširiti u tanki film ili ostati na površini u obliku leće.

Kapljica tekućine nataložena na čvrstu površinu ne stvara odmah na njoj stalni kontaktni kut.

Kapljica tekućine širi se po čvrstoj površini pod utjecajem privlačenja molekula tekućine na molekulu čvrste tvari, uključujući duž perimetra kapljice na udaljenosti djelovanja molekularnih sila, kao i pod utjecajem gravitacije. Širenje sprječavaju kohezivne sile međusobnog privlačenja molekula tekućine. Nanošenje ulja s aditivima na metalne površine često se odvija u nekoliko faza.

Kap tekućine (nakon dodavanja kapi vode i hlađenja) pomiješa se s otopinom difenilamina u koncentriranoj sumpornoj kiselini.

Kap tekućine A stavljena je na srebrni novčić. Brzo pojavljivanje smeđe-crne mrlje, neizbrisive vodom, ukazuje na prisutnost sumpora.

Mala kap tekućine koja sadrži stanicu stavi se na polirani rub kapilare komore i stanica se promatra pomoću mikroskopa. Ako stanica slobodno pluta u tekućini, kao na primjer u slučaju paramecija, tada se može brzo unijeti u cijev; u protivnom treba ga unijeti u kapilaru tankom iglom. Nakon što se stanica unese u kapilaru, voda ili tekućina u kojoj se nalazila stanica se obriše i otvor komore zatvori pokrovnim stakalcem namazanim tankim slojem vazelina. Stavite epruvetu u vodu unutarnje Dewarove čaše i ponovno napunite čašu otopinom natrijevog hidroksida. Nakon otprilike sat vremena temperaturna ravnoteža je postignuta, tankom pipetom uklonite otopinu lužine iz čaše i obrišite je vatom. Sat vremena kasnije meniskus se uvodi u vidno polje mikroskopa. Povećanje mikroskopa mora biti takvo da približno 100 kapilarnih promjera stane u vidno polje. Okularni mikrometar treba umetnuti u okular mikroskopa. Promatrajte brzinu gibanja meniskusa i zabilježite je u jedinicama podjele mikrometarske ljestvice. Tijekom mjerenja povremeno se prati temperatura i tlak; ako se osjetno mijenjaju, rezultati mjerenja smatraju se nepouzdanima i odbacuju se.

Ako se kap tekućine formira kao rezultat ubrizgavanja plina, tada je turbulencija koja nastaje unutar nje toliko velika da se difuzijski otpor njenog površinskog sloja pokazuje vrlo malim. Korištenje principa ubrizgavanja omogućuje da se proces apsorpcije odvija s visokim stupnjem intenziteta.

Zašto kap tekućine ima tendenciju da bude sferična?

Ako kap tekućine stavimo u turbulentni tok tekućine koja se s njom ne miješa, tada se pod utjecajem turbulentnih pulsacija raspada. U ovom slučaju pulsacije velikih razmjera, koje se relativno malo mijenjaju na udaljenostima veličine kapi, ne utječu na njega; deformacija i drobljenje nastaju pulsiranjem malih razmjera. Učinak drobljenja uvelike ovisi o činjenici da će u turbulentnom strujanju brzina tekućine vanjske faze blizu površine kuglica na njezine dvije točke biti različita.

Ako kap tekućine leži na površini koja nije nakvašena tom tekućinom, tada je ona spljoštena pod utjecajem sile teže. Međutim, površinska napetost sprječava da se kapljica beskonačno spljošti, jer spljoštenost znači povećanje površine.

Ako se kap tekućine stavi na površinu druge tekućine ili krutine koja se s njom ne miješa, tada se može ili raširiti ili ostati u obliku kapi koja se ne širi. To u potpunosti ovisi o površinskim napetostima obiju tekućina i međufaznoj napetosti između njih; isto vrijedi ako je niža faza čvrsta.

Sigurno ste primijetili da nasumično razbacane kapi uvijek imaju okrugli oblik. Zašto je kap okrugla?

Ako bolje pogledate, vidjet ćete da oblik kapi nije nimalo savršeno okrugao. Na primjer, ako kišne kapi pogledate odozdo, one izgledaju gotovo ravne. Idealna lopta moguća je samo u uvjetima bestežinskog stanja. A budući da smo na Zemlji, kap je (kao i sva tijela na našem planetu) izložena privlačne sile. To ga čini malo spljoštenim. Dakle, oblik kapi nije sfera, već elipsoid, iako s vrlo malom međužarišnom udaljenosti.

Koja druga sila, osim sile privlačenja, djeluje na kap? Sila površinske napetosti. Da bismo objasnili kako to radi, okrenimo se tečaju molekularne fizike. Površina kapi može se smatrati filmom koji se sastoji od molekula, a molekule njezinih vanjskih slojeva nisu u jednakim uvjetima s molekulama unutarnjih. Molekule vanjskog sloja filma imaju veću slobodnu energiju. U nastojanju da izbace višak energije i pokušavaju prodrijeti u unutarnje slojeve kapi, stvaraju pritisak. Vektor sile pritiska uvijek je usmjeren prema središtu kapi. A sila kojom molekule vanjskih slojeva kapi vrše pritisak na molekule unutarnjih slojeva naziva se sila površinske napetosti.

Dakle, što su kapljice manje, to su okruglije - skupljene su u kuglicu silom površinske napetosti. Ali veće kapi imaju duguljasti oblik, jer su preteške i ova 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 sve molekule koje se nalaze na njoj u jednakom energetskom stanju. Drugim riječima, sferna ploha je energetski najstabilnija, jer je upravo takav položaj najpovoljniji za sustav. Općenito, lopta je najkompaktniji oblik u prirodi.

Ako je kap rastegnuta, tada molekule koje se nalaze na rastegnutim područjima dobivaju veći višak energije. U nastojanju da izbace višak energije, molekule ponovno vraćaju kap u prvobitno stanje, što u konačnici dovodi sustav u ravnotežu.

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

Zahvaljujući sili površinske napetosti, sićušni kukac vodenjak može hodati po površini vode, a da ne zaroni u nju. A gušter bazilisk može lako prijeći rijeku ili malo jezero na samoj površini vode.

Možete li kapljicu vode učiniti ravnom? Da, i to vrlo jednostavno. Potrebno ga je nježno dotaknuti vrhom sapunice. Kap postaje ravna jer sapun slabi površinsku napetost vode – a njegova snaga više nije dovoljna da kap zadrži oblik lopte.

Kako nastaju mjehurići od sapunice? Kada dodamo sapun u vodu, površinska napetost se smanjuje, a površina vode se rasteže i postaje elastičnija - toliko elastična da možete upuhati zrak u nju i raširiti je u mjehurić. To je poput punjenja balona vodom.

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