Mengapakah titisan air berbentuk seperti bola? Kenapa pusingan jatuh?

"artikel" Setitik air - sebagaimana adanya". Di mana kita akan bercakap tentang apa itu setitik, bagaimana ia berbeza daripada setitik, dan perkara menarik lain.

Setitis air - sebagaimana adanya - adalah salah satu cara untuk melihat dengan lebih dekat dunia di sekeliling kita. Lihatlah dengan mata yang berbeza, dari sudut yang berbeza - bukan yang biasa, tetapi yang berbeza. Dalam kes kami, ia lebih saintifik.

Jadi, dalam kebanyakan kes, setitis air dianggap sebagai bola air, yang menjengkelkan apabila menitis dari paip, dan membuatkan anda gembira apabila hujan turun di luar tingkap.

Tetapi ini hanya pada pandangan pertama. Jadi, menurut kamus:

Titisan ialah sejumlah kecil cecair yang mengambil bentuk bulat kerana lekatan zarahnya. Berat setitik bergantung pada suhu, pada bahan badan dari mana titisan dipisahkan, pada saiz badan ini dan pada ketegangan permukaan cecair.

Titisan ialah isipadu kecil cecair yang dihadkan oleh permukaan putaran atau hampir dengannya. Bentuk titisan ditentukan oleh tindakan daya tegangan permukaan dan kuasa luar.

Ketegangan permukaan- ini ialah daya yang mana molekul bahan tertarik jauh ke dalam bahan. Sudah tentu, terdapat lebih banyak penjelasan yang tidak jelas (ketegangan permukaan ialah kerja pembentukan isoterma boleh balik per unit luas permukaan ini, bahan BES). Tetapi sebenarnya, semuanya agak mudah. Dalam kes air, tegangan permukaan air tidak lebih daripada molekul air yang menarik antara satu sama lain. Seperti habuk besi di sekeliling magnet.

Jadi, kita mempunyai dua daya - molekul air menarik antara satu sama lain. Oleh itu, apabila mereka menarik antara satu sama lain dalam keadaan tertentu, titisan terbentuk.

Syarat pembentukan titisan:

• apabila cecair mengalir dari pinggir permukaan atau dari lubang kecil (titisan yang sama jatuh dari paip).
• apabila wap terpeluwap:
  • a) pada permukaan keras yang tidak boleh dibasahi;
  • b) pada pusat pemeluwapan. (contoh: apabila sesuatu yang dibawa masuk dari kabus sejuk).
• apabila menyembur cecair (by the way, semburan cecair digunakan dalam memadam kebakaran).
• pengemulsi (mencampurkan satu cecair dalam yang lain, tidak larut di dalamnya; contoh - pengemulsi berlaku apabila minyak dan air bercampur).
• Embun terbentuk melalui pemeluwapan wap air pada permukaan, kabus dan awan terbentuk oleh pemeluwapan wap air pada zarah debu di udara.

Dalam setiap kes, keadaan membentuk kuantiti yang sangat kecil daripada air. Nah, kemudian ketegangan permukaan kami yang dikaji di atas mula berkuat kuasa.

Jadi, bentuk jatuh ditentukan oleh tindakan tegangan permukaan (kita telah pun menentukan apa itu) dan daya luaran (terutamanya graviti). Titisan mikroskopik, yang mana graviti tidak memainkan peranan penentu, mempunyai bentuk bola - badan dengan minimum isipadu yang diberi permukaan (kerana molekul air tertarik sama rata antara satu sama lain). Kejatuhan besar di bawah keadaan daratan telah bentuk sfera hanya apabila ketumpatan cecair jatuh dan persekitaran sekelilingnya adalah sama.

Titisan hujan yang jatuh, di bawah pengaruh graviti, tekanan aliran udara yang akan datang dan ketegangan permukaan, mengambil bentuk yang memanjang. Pada permukaan yang tidak dibasahi, titisan berbentuk bola yang diratakan. Ngomong-ngomong, titisan hujan tidak boleh lebih besar daripada 5 mm, kerana titisan besar pecah di udara.

Bentuk titisan adalah optimum secara aerodinamik, kerana ia mempunyai permukaan yang paling tidak mengganggu rintangan udara semasa penerbangan.

Jadi, setitik air, sebagaimana adanya, adalah kebetulan.

Sebahagian daripadanya bertanggungjawab untuk mengisar air menjadi bahagian kecil, manakala yang lain bertanggungjawab untuk menarik molekul air antara satu sama lain.

Berdasarkan bahan daripada http://voda.blox.ua/2009/05/Chto-takoe-KAPLYa-VODY.html

Kami terbiasa dengan idea bahawa setitik mempunyai bentuk bola. Malah, ia hampir tidak pernah menjadi bola, walaupun bentuk ini memberikan jumlah paling sedikit.

Setitis yang terletak pada permukaan mendatar diratakan. Bentuk kompleks mempunyai setitik jatuh di udara. Dan hanya setitik dalam keadaan tanpa berat mengambil bentuk sfera.

Dalam besar Ensiklopedia Soviet Gambar segera titisan hujan yang turun ditunjukkan. Khususnya, titisan dengan diameter 6 mm mempunyai bentuk yang hampir dengan bentuk topi cendawan; Titisan diameter yang lebih kecil mempunyai bentuk yang hampir dengan bola.

Pembentukan titisan boleh diterangkan dalam tiga cara: keadaan ciri. Keadaan A sepadan dengan permulaan pembentukan setitik: permukaan cecair di hujung tiub adalah mendatar, jejari kelengkungannya sangat besar, daya tegangan permukaan diarahkan berserenjang dengan dinding tiub dan jangan menghalang cecair daripada mengalir keluar. Melalui masa yang singkat penurunan itu masuk ke keadaan B, yang dicirikan oleh daya Laplacian yang paling besar, yang memperlahankan kadar pembentukan titisan dan, akibatnya, kadar aliran keluar. Dalam keadaan ini, jejari kelengkungan permukaan ialah r. Kemudian isipadu penurunan meningkat, ia melepasi keadaan B, yang mencirikan peringkat utama pembentukan drop: daya Laplace adalah besar, tetapi kurang daripada dalam keadaan B, dan seterusnya berkurangan dengan peningkatan jejari penurunan; Masa pengumpulan jisim yang diperlukan untuk pengasingan adalah panjang berbanding dengan masa peralihan dari keadaan A ke keadaan B, kadar kebocoran semakin berkurangan.

Jejari jatuh

Titisan hujan yang turun, disebabkan kerelatifan pergerakan mekanikal, boleh, kepada anggaran pertama, digantikan dengan titisan yang melambung tinggi dalam aliran udara menaik.

Kami mengulangi eksperimen yang diterangkan dalam jurnal. Titisan diletakkan dalam aliran udara menggunakan picagari perubatan. Untuk melakukan ini, hujung jarum diletakkan di dalam aliran udara, dan dengan perlahan memerah air keluar dari picagari, titisan pelbagai volum diperolehi. Titisan, kerana pembasahan, boleh kekal pada jarum untuk beberapa waktu. Pada masa ini, anda boleh melihat dengan jelas bentuk titisan. Selepas beberapa lama, titisan jatuh dari hujung jarum dan tergantung di udara selama beberapa saat. Masa ini sudah memadai untuk meneliti bentuk titisan pelbagai saiz atau memotretnya.

Dalam perjalanan kajian, ternyata titisan diameter kecil sebenarnya mempunyai bentuk yang hampir dengan bola, dan titisan diameter yang lebih besar mempunyai bentuk yang mengingatkan topi cendawan.

Pemerhatian pereputan setitik ke dalam gelang dan interaksi gelang

Kami memutuskan untuk memerhatikan perpecahan setitik ke dalam cincin untuk mengesahkan kesahihan data yang dibentangkan oleh pengarang mengenai tingkah laku titisan dakwat di permukaan dan di dalam air. Semasa percubaan, kami merekodkan bahawa cecair yang lebih tumpat cenderung ke bawah mengikut undang-undang yang diterangkan oleh ketidakstabilan Rayleigh-Taylor, dengan pembentukan vorteks.

Untuk melakukan ini, kami menggunakan bekas kaca telus yang diisi dengan air. Kapilari terpilih pelbagai diameter dan dengan itu memperoleh titisan jejari yang berbeza.

Kelakuan titisan dakwat bergantung pada beberapa parameter: jika cecair mempunyai ketumpatan tinggi, sebagai contoh, penyelesaian garam meja, atau setitik jatuh dari altitud yang tinggi dan mengenai permukaan cecair pada kelajuan tinggi, ia pecah menjadi kepingan dan tidak menembusi dalam ke dalam cecair. Tetapi jika ketumpatan cecair kurang sedikit daripada dakwat, dan penurunan jatuh dari ketinggian beberapa sentimeter, maka transformasi yang menarik berlaku dengannya.

Jika anda berhati-hati membawa titisan dakwat ke permukaan itu sendiri dan menyentuhnya, titisan itu akan serta-merta ditarik ke dalam air dan mula bergerak ke bawah pada kelajuan tinggi. Penurunan memperoleh kelajuan ini di bawah pengaruh tarikan bersama molekul cecair. Daya yang timbul dalam kes ini dipanggil daya tegangan permukaan kerana ia sentiasa cenderung untuk mengurangkan permukaan bebas cecair, menariknya ke dalam dan meratakan sebarang ketidaksamaan padanya.

Pada mulanya, titisan dakwat menjunam ke dalam air pada kelajuan tinggi, tetapi kemudian pergerakannya perlahan. Sebab pergerakan ini adalah daya Archimedean, yang hampir mengimbangi daya graviti, dan daya geseran antara titisan dan air pegun. Memandangkan daya geseran hanya bertindak pada permukaan luar titisan, selepas bergerak beberapa sentimeter, titisan bertukar menjadi gelang berputar.

Mekanisme pembentukan cincin vorteks agak mudah: permukaan sisi titisan diperlahankan oleh air yang tenang dan mula ketinggalan di belakang bahagian dalam. Tempat tengah yang gagal diambil oleh air bersih.

Cincin itu tidak kekal bulat sempurna untuk masa yang lama: putarannya perlahan, dan bonjolan dan lekukan muncul di atasnya. Fenomena ini dipanggil ketidakstabilan Rayleigh-Taylor, yang terdiri daripada fakta bahawa lapisan cecair berat yang terletak pada lapisan cecair yang lebih ringan mungkin berada dalam keseimbangan, tetapi keseimbangan ini akan menjadi tidak stabil. Sebaik sahaja antara muka antara cecair bengkok sedikit, cecair berat akan menyerbu ke dalam lekukan, dan cecair ringan akan mula terapung, meningkatkan bengkak. Ini adalah semula jadi: cecair cenderung untuk menduduki kedudukan keseimbangan yang stabil, apabila yang ringan berada di bahagian atas dan yang berat berada di bahagian bawah.

Pergerakan jet dalam cecair pegun dalam banyak cara mengingatkan pergerakan titisan individu: di bawah tindakan daya likat, gelang pusaran sekali lagi terbentuk di hujung jet, yang dalam beberapa saat, di bawah pengaruh ketidakstabilan Rayleigh-Taylor, dengan sendirinya akan menghasilkan 2-3 jet. Proses "tunas" ini diulang beberapa kali sehingga dakwat mencapai bahagian bawah balang, meninggalkan jejak di belakangnya.

Apabila mengkaji interaksi cincin pusaran, apabila mereka berada pada ketinggian yang sama, mereka mula berinteraksi antara satu sama lain. Terdapat tiga kes yang mungkin.

Kes pertama ialah apabila cincin kedua memintas yang pertama tanpa menyentuhnya. Perkara berikut berlaku. Pertama, aliran air dari kedua-dua gelang seolah-olah menolak gelang tersebut dari satu sama lain. Kedua, aliran dakwat dari cincin pertama ke cincin kedua dikesan: aliran air dari cincin kedua lebih kuat, dan mereka membawa dakwat bersama-sama mereka. Kadang-kadang sebahagian daripada dakwat ini melalui cincin kedua, mengakibatkan pembentukan cincin kecil yang baru. Kemudian cincin mula dibahagikan, kemudian kami tidak dapat melihat apa-apa yang menarik.

Kes kedua ialah apabila cincin kedua menyentuh yang pertama apabila memotong. Akibatnya, aliran yang lebih kuat daripada cincin kedua memusnahkan yang pertama. Sebagai peraturan, pusaran kecil baru terbentuk daripada bekuan dakwat yang tinggal dari cincin pertama.

Kes ketiga ialah apabila cincin mengalami impak pusat. Dalam kes ini, cincin kedua melalui yang pertama dan saiznya berkurangan, manakala yang pertama, sebaliknya, mengembang. Seperti dalam kes sebelumnya, ini berlaku kerana tindakan bersama air mengalir dari satu cincin ke cincin yang lain. Selepas itu, cincin mula dibahagikan.

Muka surat 2

Setitik cecair boleh merebak ke atas permukaan jika permukaannya dibasahi dengan baik, tetapi jika permukaannya kurang dibasahi, titisan itu tidak akan merebak.

Setitis cecair di permukaan padu, sama ada boleh merebak ke dalam filem nipis atau kekal di permukaan dalam bentuk kanta.

Setitik cecair yang digunakan pada permukaan pepejal tidak serta-merta membentuk sudut sentuhan dengan nilai tetap di atasnya.

Setitik cecair merebak pada permukaan pepejal di bawah pengaruh tarikan molekul cecair kepada molekul pepejal, termasuk di sepanjang perimeter penurunan pada jarak tindakan daya molekul, serta di bawah pengaruh graviti. Daya padu tarikan molekul cecair antara satu sama lain menghalang penyebaran. Penyebaran minyak dengan bahan tambahan pada permukaan logam sering berlaku dalam beberapa peringkat.

Setitik cecair (dengan menambahkan setitik air dan penyejukan) dicampur dengan larutan difenilamin dalam asid sulfurik pekat.

Setitis cecair A diletakkan pada syiling perak. Kemunculan cepat noda coklat-hitam yang tidak boleh dicuci dengan air menunjukkan kehadiran sulfur.

Setitik kecil cecair yang mengandungi sel diletakkan di pinggir tanah kapilari ruang dan sel diperhatikan menggunakan mikroskop. Jika sel terapung bebas dalam cecair, seperti dalam kes Paramecium, maka ia boleh dengan cepat dimasukkan ke dalam tiub; jika tidak, ia perlu dimasukkan ke dalam kapilari menggunakan jarum nipis. Selepas sel dimasukkan ke dalam kapilari, air atau cecair di mana sel itu terletak disapu dan kaca penutup yang disapu dengan lapisan nipis Vaseline digunakan untuk menutup bukaan ruang. Letakkan tiub di dalam air cawan Dewar dalam dan isi semula cawan dengan larutan. Soda kaustik. Selepas kira-kira sejam, keseimbangan suhu telah dicapai, keluarkan larutan alkali dari cawan dengan pipet nipis dan lap dengan kapas. Selepas satu jam lagi, meniskus dimasukkan ke dalam bidang pandangan mikroskop. Pembesaran mikroskop hendaklah sedemikian rupa sehingga kira-kira 100 diameter kapilari sesuai dengan bidang pandangan. Mikrometer kanta mata mesti dimasukkan ke dalam kanta mata mikroskop. Kelajuan pergerakan meniskus diperhatikan dan direkodkan dalam unit pembahagian skala mikrometrik. Semasa proses pengukuran, suhu dan tekanan dipantau secara berkala; jika ia berubah dengan ketara, keputusan pengukuran dianggap tidak boleh dipercayai dan dibuang.

Jika setitik cecair terbentuk akibat suntikan gas, maka pergolakan yang timbul di dalamnya adalah sangat besar sehingga rintangan resapan lapisan permukaannya ternyata sangat kecil. Penggunaan prinsip suntikan membolehkan proses penyerapan dijalankan dengan intensiti yang tinggi.

Mengapa setitik cecair cenderung berbentuk sfera?

Jika setitik cecair diletakkan dalam aliran bergelora cecair yang tidak bercampur dengannya, maka pemecahannya berlaku di bawah pengaruh denyutan bergelora. Dalam kes ini, denyutan berskala besar, yang berubah agak sedikit pada jarak urutan saiz penurunan, tidak menjejaskannya; ubah bentuk dan penghancuran dihasilkan oleh denyutan berskala kecil. Kesan penghancuran sebahagian besarnya bergantung pada kandungannya aliran bergelora halaju cecair fasa luar pada permukaan globul pada dua titiknya akan berbeza.

Jika setitik cecair terletak pada permukaan yang tidak dibasahi oleh cecair ini, maka ia diratakan di bawah pengaruh graviti. Walau bagaimanapun, ketegangan permukaan menghalang titisan daripada merata selama-lamanya, kerana meratakan bermakna meningkatkan luas permukaan.

Jika setitik cecair diletakkan di atas permukaan cecair atau pepejal lain yang tidak boleh larut, ia boleh sama ada merebak atau kekal sebagai titisan tidak merebak. Ini bergantung sepenuhnya pada tegangan permukaan kedua-dua cecair dan pada ketegangan antara muka di antara mereka; begitu juga jika fasa bawah adalah pepejal.

Pasti anda perasan bahawa titisan yang bertaburan secara huru-hara selalu ada bentuk bulat. Kenapa pusingan jatuh?

Jika anda melihat dengan teliti, anda akan melihat bahawa bentuk titisan tidak sama sekali bulat sempurna. Sebagai contoh, jika anda melihat titisan hujan dari bawah, ia kelihatan hampir rata. Bola yang sempurna hanya boleh dilakukan dalam keadaan tanpa berat. Dan kerana kita berada di Bumi, titisan (seperti semua badan di planet kita) terdedah kepada graviti. Ini menjadikannya sedikit rata. Oleh itu, bentuk titisan lebih berkemungkinan bukan sfera, tetapi ellipsoid, walaupun dengan jarak interfokal yang sangat kecil.

Apakah daya lain, selain daya tarikan, bertindak ke atas jatuhan? Daya tegangan permukaan. Untuk menerangkan cara ia berfungsi, mari lihat kursus fizik molekul. Permukaan setitik boleh dianggap sebagai filem yang terdiri daripada molekul, dan molekulnya lapisan luar tidak masuk syarat sama rata dengan molekul dalaman. Molekul lapisan luar filem mempunyai lebih besar tenaga percuma. Cuba untuk melepaskan tenaga yang berlebihan dan cuba menembusi lapisan dalam titisan, mereka mencipta tekanan. Vektor daya tekanan sentiasa dihalakan ke arah pusat titisan. Dan daya dengan mana molekul lapisan luar titisan menekan pada molekul lapisan dalam dipanggil daya tegangan permukaan.

Oleh itu, semakin kecil titisan, semakin bulat ia - ia dikumpulkan menjadi bola oleh daya ketegangan permukaan. Tetapi titisan yang lebih besar mempunyai bentuk yang memanjang, kerana ia terlalu berat dan daya ini tidak lagi mencukupi untuk mengekalkannya dalam bentuk bola.

Tetapi persoalannya masih terbuka: mengapa ia masih sfera? Teori di atas tidak menjelaskan sepenuhnya perkara ini. Hakikatnya ialah pada permukaan sfera semua molekul yang terletak di atasnya adalah sama keadaan tenaga. Dalam erti kata lain, permukaan sfera adalah yang paling stabil secara bertenaga, kerana ini adalah kedudukan yang paling sesuai untuk sistem. Secara umum, bola adalah bentuk yang paling padat dalam alam semula jadi.

Jika titisan diregangkan, molekul yang terletak di kawasan yang diregangkan memperoleh lebihan tenaga yang lebih tinggi. Dalam usaha untuk melepaskan tenaga yang berlebihan, molekul mengembalikan penurunan ke keadaan asalnya, yang akhirnya membawa sistem ke keseimbangan.

Seperti berikut dari yang di atas, ketegangan permukaan seolah-olah menahan air dalam "kulit" elastik - cangkang. Cangkerang ini membuat setitik tergantung di hujungnya paip air. Jika titisan menjadi terlalu besar, cangkerang tidak dapat menahannya, pecah, dan titisan itu jatuh.

Ia adalah terima kasih kepada daya ketegangan permukaan bahawa penyerang air serangga kecil boleh berjalan di permukaan air tanpa menjunam ke dalamnya. Dan cicak basilisk boleh berlari dengan tenang melintasi sungai atau tasik kecil betul-betul di permukaan air.

Adakah mungkin untuk membuat setitik air rata? Ya, dan sangat mudah. Anda perlu menyentuhnya dengan lembut dengan hujung penyedut sabun. Titisan menjadi rata kerana sabun melemahkan tegangan permukaan air - dan dayanya tidak lagi mencukupi untuk menahan titisan dalam bentuk bola.

Bagaimanakah buih sabun dibuat? Apabila kita menambah sabun ke dalam air, daya tegangan permukaan berkurangan, dan permukaan air kelihatan meregang dan menjadi lebih anjal - sangat anjal sehingga anda boleh meniup udara ke dalamnya dan ia akan meregang menjadi gelembung. Ia sedikit seperti mengisi belon dengan air.

Oleh itu, setitik air tidak bulat, tetapi ellipsoidal. Cengkerang pelbagai cecair mempunyai darjah yang berbeza-beza kekuatan. Sebagai contoh, alkohol mempunyai tegangan permukaan yang lebih rendah daripada air, jadi ia membentuk titisan yang lebih kecil. Merkuri, sebaliknya, mempunyai tegangan permukaan 6 kali lebih besar daripada air, jadi apabila termometer pecah, ia terpecah menjadi banyak bola kecil.