Hvorfor er en vanndråpe formet som en ball. Hvorfor er drop-runden

"artikkel" En dråpe vann - som den er". Hvor vi skal snakke om hva en dråpe vann er, hvordan den skiller seg fra en ikke-dråpe og andre interessante ting.

En dråpe vann – som den er – er en måte å se nærmere på verden rundt oss. Se på det med andre øyne, fra en annen vinkel - ikke den vanlige, men annerledes. I vårt tilfelle, litt mer vitenskapelig.

Så i de fleste tilfeller oppfattes en vanndråpe som en vannkule, som irriterer når det drypper fra springen, og gleder når det regner utenfor vinduet.

Men dette er bare ved første øyekast. Så ifølge ordboken:

En dråpe er en liten mengde væske som får en avrundet form på grunn av adhesjonen til partiklene. Vekten til en dråpe avhenger av temperaturen, av stoffet i legemet som dråpen er skilt fra, av dimensjonene til denne kroppen og av væskens overflatespenning.

En dråpe er et lite volum væske avgrenset av en omdreiningsflate eller nær den. Formen på en dråpe bestemmes av virkningen av overflatespenningskrefter og ytre krefter.

Overflatespenning er kraften som molekylene til et stoff tiltrekkes dypt inn i materialet med. Det er selvfølgelig mer abstruerte forklaringer (overflatespenning er arbeidet med den reversible isotermiske dannelsen av en enhetsareal av denne overflaten, BES-materialet). Men faktisk er alt ganske enkelt. Når det gjelder vann, er overflatespenningen til vann ikke annet enn vannmolekyler som tiltrekker hverandre. Som jernstøv rundt en magnet.

Så vi har to krefter - vannmolekyler tiltrekker hverandre. Følgelig, når de tiltrekker hverandre under visse forhold, dannes dråper.

Dråpeformasjonsforhold:

• når væske renner fra kanten av overflaten eller fra små hull (den samme dråpen faller fra springen).
• når damp kondenserer:
  • a) på en hard, ikke fuktbar overflate;
  • b) på kondensasjonssentrene. (et eksempel er når noe hentet inn fra den kalde tåken).
• ved sprøyting av væske (forresten, sprøytevæske brukes i brannslukking).
• emulgering (blande en væske inn i en annen som er uløselig i den; for eksempel oppstår emulgering når olje og vann blandes).
• dugg dannes når vanndamp kondenserer på overflater, tåke og skyer - når vanndamp kondenserer på støvpartikler i luften.

I hvert tilfelle danner omstendighetene svært små mengder vann. Vel, da trer overflatespenningen vår studert ovenfor i kraft.

Så, dråpeform bestemmes av virkningen av overflatespenning (vi har allerede bestemt hva det er) og ytre krefter (først og fremst tyngdekraften). Mikroskopiske dråper, som tyngdekraften ikke spiller en avgjørende rolle for, har form som en ball - en kropp med minimum overflate for et gitt volum (siden vannmolekyler er jevnt tiltrukket av hverandre). Store dråper under terrestriske forhold har en sfærisk form bare hvis tetthetene av væsken i dråpen og dens miljø er like.

Fallende regndråper under påvirkning av tyngdekraften, trykket fra den motgående luftstrømmen og overflatespenningen får en langstrakt form. På ikke fuktbare overflater har dråpene form av en flat ball. Regndråper kan forresten ikke være større enn 5 mm, da store dråper knuses i luften.

Formen på dråpen er aerodynamisk optimal, da den har en overflate som minst hindrer luftmotstand under flyging.

Så, en dråpe vann, som den er, er en tilfeldighet.

Noen av dem er ansvarlige for å male vann i små porsjoner, mens andre er ansvarlige for tiltrekning av vannmolekyler til hverandre.

Basert på materialer http://voda.blox.ua/2009/05/Chto-takoe-KAPLYa-VODY.html

Vi er vant til tanken om at en dråpe har form som en ball. Faktisk er det nesten aldri en ball, selv om denne formen gir minst volum.

En dråpe som hviler på en horisontal overflate flates ut. En dråpe som faller i luften har en kompleks form. Og bare en dråpe i en tilstand av vektløshet tar en sfærisk form.

The Great Soviet Encyclopedia gir øyeblikkelige bilder av fallende regndråper. Spesielt har en dråpe med en diameter på 6 mm en form nær formen til en sopphette; dråper med mindre diameter har en form nær en kule.

Dråpedannelse kan beskrives ved tre karakteristiske tilstander. Tilstand A tilsvarer begynnelsen av dråpedannelsen: væskeoverflaten ved enden av røret er horisontal, krumningsradiusen er veldig stor, overflatespenningskreftene er rettet vinkelrett på rørveggen og hindrer ikke væsken i å strømme ut. Etter kort tid går dråpen over i tilstand B, som er preget av den høyeste Laplacian-kraften, som bremser dråpedannelseshastigheten og følgelig utstrømningshastigheten. I denne tilstanden vil overflatens krumningsradius r. Deretter øker volumet av dråpen, den går over i tilstand C, som karakteriserer hovedstadiet av dråpedannelse: Laplacian-kraften er stor, men mindre enn i tilstand B, og avtar ytterligere med økende fallradius; tiden for akkumulering av massen nødvendig for løsrivelse er stor sammenlignet med overgangstiden fra tilstand A til tilstand B, strømningshastigheten avtar fortsatt.

fallradius

Fallet av en regndråpe, på grunn av relativiteten til mekanisk bevegelse, kan i den første tilnærmingen erstattes av flyten av en dråpe i en stigende luftstrøm.

Vi gjentok eksperimentet beskrevet i journalen. Dråper ble plassert i luftstrålen ved hjelp av en medisinsk sprøyte. For å gjøre dette ble enden av nålen plassert i en luftstråle, og sakte presset vann ut av sprøyten ble det oppnådd dråper med forskjellige volumer. Dråper, på grunn av fukting, kan holdes på nålen en stund. På dette tidspunktet kan formen på dråpene allerede observeres tydelig. Etter en tid bryter dråpen av spissen av nålen og henger i luften i noen sekunder. Denne tiden er tilstrekkelig til å undersøke formene til dråper av forskjellige størrelser eller fotografere dem.

I løpet av studien viste det seg at dråper med liten diameter virkelig har en form nær en ball, og dråper med større diameter har en form som ligner en sopphette.

Observasjon av forfallet av en dråpe til en ring og samspillet mellom ringene

Vi bestemte oss for å observere oppløsningen av en dråpe til en ring for å verifisere gyldigheten av dataene presentert av forfatterne om oppførselen til en blekkdråpe på overflaten og inne i vannet. Under eksperimentet registrerte vi at en tettere væske tenderer nedover i henhold til lovene som er beskrevet av Rayleigh-Taylor-ustabiliteten, med dannelse av virvler.

For å gjøre dette brukte vi et gjennomsiktig glasskar, som var fylt med vann. Kapillærer med forskjellige diametre ble valgt, og dermed ble det oppnådd dråper med forskjellige radier.

Oppførselen til en blekkdråpe avhenger av flere parametere: hvis en væske har høy tetthet, for eksempel en løsning av natriumklorid, eller en dråpe faller fra stor høyde og treffer overflaten av væsken med høy hastighet, så bryter den i biter og trenger ikke dypt ned i væsken. Men hvis tettheten til væsken er litt mindre enn for blekk, og dråpen faller fra en høyde på flere centimeter, finner interessante transformasjoner sted med den.

Hvis du forsiktig bringer en dråpe blekk til selve overflaten og berører den, vil dråpen umiddelbart trekkes inn i vannet og begynne å bevege seg nedover i høy hastighet. Dråpen får denne hastigheten under påvirkning av gjensidig tiltrekning av flytende molekyler. Kreftene som oppstår i dette tilfellet kalles overflatespenningskrefter fordi de alltid har en tendens til å redusere væskens frie overflate, trekke den inn og jevne ut eventuelle ujevnheter på den.

Først senkes blekkdråpen ned i vann med høy hastighet, men deretter bremses bevegelsen. Årsaken til denne bevegelsen er den arkimedeiske kraften, som nesten balanserer tyngdekraften, og friksjonskraften mellom dråpen og stille vann. Siden friksjonskraften bare virker på den ytre overflaten av dråpen, etter å ha passert noen få centimeter, blir dråpen til en roterende ring.

Mekanismen for dannelse av en virvelring er ganske enkel: den laterale overflaten av dråpen bremses mot det stille vannet og begynner å henge etter den indre delen. Stedet for den mislykkede midten er okkupert av rent vann.

Ringen forblir ikke perfekt rund lenge: rotasjonen avtar, og hevelse og depresjoner vises på den. Dette fenomenet kalles Rayleigh-Taylor-ustabiliteten, som betyr at et lag av en tung væske som ligger på et lag av en lettere væske kan være i likevekt, men denne likevekten vil være ustabil. Så snart grensesnittet til væskene er svakt buet, vil den tunge væsken skynde seg inn i fordypningene, og den lette vil begynne å flyte, noe som øker hevelsen. Dette er helt naturlig: væsker har en tendens til å innta en stabil likevektsposisjon når lys er på toppen og tungt er på bunnen.

Bevegelsen til en stråle i en stasjonær væske minner på mange måter om bevegelsen til en enkelt dråpe: under påvirkning av tyktflytende krefter dannes det igjen en virvelring i enden av strålen, som i løpet av noen få sekunder, under handlingen av Rayleigh-Taylor-ustabiliteten, vil i seg selv generere 2-3 jetfly. Denne "spirende" prosessen gjentas flere ganger til blekket når bunnen av boksen, og etterlater et spor.

Når man studerer samspillet mellom virvelringer, i det øyeblikket de er i samme høyde, begynner de å samhandle med hverandre. Tre tilfeller er mulige.

Det første tilfellet - den andre ringen overtar den første uten å berøre den. I dette tilfellet skjer følgende. For det første avviser vannstrømmene fra begge ringene ringene fra hverandre. For det andre oppdages strømmen av blekk fra den første ringen til den andre: vannstrømmene til den andre ringen er mer intense, og de bærer blekket med seg. Noen ganger passerer noe av dette blekket gjennom den andre ringen, noe som får en ny liten ring til å dannes. Så begynner ringene å dele seg, vi kunne ikke merke noe interessant videre.

Det andre tilfellet - den andre ringen berører den første ved forbikjøring. Som et resultat ødelegger mer intense strømmer av den andre ringen den første. Som regel dannes det nye små virvler fra blekkproppen som er igjen fra den første ringen.

Det tredje tilfellet - ringene opplever en sentral innvirkning. I dette tilfellet passerer den andre ringen gjennom den første og avtar i størrelse, mens den første tvert imot utvider seg. Som i tidligere tilfeller skjer dette på grunn av den gjensidige virkningen av vannstrømmer fra en ring til en annen. I fremtiden begynner ringene å dele seg.

Side 2

En dråpe væske kan spre seg over overflaten hvis overflaten er godt fuktet, og hvis overflaten er dårlig fuktet, vil ikke dråpen spre seg.

En dråpe væske på overflaten av et fast stoff kan enten spre seg til en tynn film eller forbli på overflaten i form av en linse.

En dråpe væske avsatt på en fast overflate danner ikke umiddelbart en konstant kontaktvinkel på den.

En væskedråpe sprer seg på en fast overflate under påvirkning av tiltrekningen av flytende molekyler til et fast molekyl, inkludert langs dråpeperimeteren i en avstand fra virkningen av molekylære krefter, så vel som under påvirkning av tyngdekraften. Spredning forhindres av de sammenhengende tiltrekningskreftene av væskemolekyler til hverandre. Spredning av oljer med tilsetningsstoffer på metalloverflater skjer ofte i flere stadier.

En dråpe væske (etter tilsetning av en dråpe vann og avkjøling) blandes med en løsning av difenylamin i konsentrert svovelsyre.

En dråpe væske A legges på en sølvmynt. Det raske utseendet til en brun-svart flekk, uutslettelig med vann, indikerer tilstedeværelsen av svovel.

En liten dråpe væske som inneholder cellen plasseres på den polerte kanten av kammerkapillæren og cellen observeres ved hjelp av et mikroskop. Hvis cellen flyter fritt i væsken, som for eksempel i tilfellet med Paramecium, kan den raskt bringes inn i røret; ellers bør den føres inn i kapillæren med en fin nål. Etter at cellen er introdusert i kapillæren, tørkes vannet eller væsken som cellen var plassert av, og åpningen til kammeret lukkes ved hjelp av et dekkglass smurt med et tynt lag vaselin. Plasser røret i vannet i det indre Dewar-begerglasset og fyll på igjen med natriumhydroksidløsningen. Etter omtrent en time er temperaturlikevekten nådd, fjern alkaliløsningen fra koppen med en tynn pipette og tørk av den med en bomullspinne. En time senere blir menisken introdusert i synsfeltet til mikroskopet. Forstørrelsen av mikroskopet bør være slik at ca. 100 kapillærdiametre passer innenfor synsfeltet. Et okulært mikrometer bør settes inn i okularet på mikroskopet. Observer bevegelseshastigheten til menisken og noter den i divisjonsenheter på mikrometerskalaen. Under målingen overvåkes temperatur og trykk periodisk; hvis de endres merkbart, anses måleresultatene som upålitelige og forkastes.

Hvis det dannes en væskedråpe som følge av gassinjeksjon, er turbulensen som oppstår inne i den så stor at diffusjonsmotstanden til overflatelaget viser seg å være veldig liten. Ved å bruke injeksjonsprinsippet kan absorpsjonsprosessen utføres med høy grad av intensitet.

Hvorfor har en dråpe væske en tendens til å være sfærisk?

Hvis en væskedråpe plasseres i en turbulent strøm av en væske som ikke er blandbar med den, brytes den opp under påvirkning av turbulente pulsasjoner. I dette tilfellet påvirker ikke pulseringer i stor skala, som endres relativt lite i avstander i størrelsesorden av dråpestørrelsen; deformasjon og knusing er produsert av småskala pulsasjoner. Knusingseffekten avhenger i stor grad av det faktum at i en turbulent strømning vil hastigheten til væsken i den ytre fasen nær overflaten av kulene ved de to punktene være forskjellig.

Hvis en dråpe væske hviler på en overflate som ikke er fuktet av denne væsken, blir den flatet ut under påvirkning av tyngdekraften. Overflatespenning forhindrer imidlertid at dråpen flater ut i det uendelige, siden utflating betyr en økning i overflatearealet.

Hvis en væskedråpe plasseres på overflaten av en annen væske eller fast stoff som ikke er blandbar med den, kan den enten spre seg eller forbli i form av en ikke-spredende dråpe. Dette avhenger helt av overflatespenningen til begge væskene og grenseflatespenningen mellom dem; det samme gjelder hvis den nedre fasen er et fast stoff.

Du har sikkert lagt merke til at tilfeldig spredte dråper alltid har en rund form. Hvorfor er droppet rundt?

Hvis du ser nøye etter, vil du se at formen på dråpen slett ikke er perfekt rund. Hvis du for eksempel ser på regndråper nedenfra, ser de nesten flate ut. En ideell ball er bare mulig under forhold med vektløshet. Og siden vi er på jorden, blir dråpen (som alle kropper på planeten vår) utsatt for attraktive krefter. Dette gjør det litt flatt. Derfor er formen på dråpen heller ikke en kule, men en ellipsoide, men med en veldig liten interfokal avstand.

Hvilken annen kraft, foruten tiltrekningskraften, virker på dråpen? Kraften til overflatespenningen. For å forklare hvordan det fungerer, la oss gå til løpet av molekylær fysikk. Overflaten til en dråpe kan betraktes som en film som består av molekyler, og molekylene i dens ytre lag er ikke i like forhold med molekylene til de indre. Molekylene i det ytre laget av filmen har en høyere fri energi. I et forsøk på å dumpe overflødig energi og prøver å trenge inn i de indre lagene av dråpen, skaper de trykk. Trykkkraftvektoren er alltid rettet mot midten av dråpen. Og kraften som molekylene i de ytre lagene av dråpen legger press på molekylene i de indre lagene kalles overflatespenningskraft.

Jo mindre dråpene er, jo mer runde er de - de samles til en ball av kraften fra overflatespenningen. Men større dråper har en langstrakt form, fordi de er for tunge og denne kraften er ikke lenger nok til å holde dem i form av en ball.

Men spørsmålet er fortsatt åpent: hvorfor er det fortsatt en sfærisk form? Teorien ovenfor forklarer ikke dette fullt ut. Faktum er at på en sfærisk overflate er alle molekyler som ligger på den i en lik energitilstand. Den sfæriske overflaten er med andre ord den mest energimessig stabile, siden det er nettopp denne posisjonen som er mest fordelaktig for systemet. Generelt er ballen den mest kompakte formen i naturen.

Hvis dråpen strekkes, får molekylene som ligger på de strakte områdene en høyere overskuddsenergi. I et forsøk på å dumpe overflødig energi, returnerer molekylene igjen dråpen til sin opprinnelige tilstand, noe som til slutt bringer systemet i likevekt.

Som følger av det ovenstående, holder overflatespenning, som det var, vann i en elastisk "hud" - et skall. Denne kappen får dråpen til å henge fra enden av kranen. Hvis dråpen blir for stor, tåler ikke skallet, det knekker, og dråpen faller.

Det er takket være kraften fra overflatespenningen at det lille vannstrider-insektet kan gå på overflaten av vannet uten å stupe ned i det. Og basilisk øgle kan lett krysse en elv eller en liten innsjø rett på overflaten av vannet.

Kan du lage en dråpe vann flat? Ja, og det er veldig enkelt. Det er nødvendig å forsiktig berøre den med tuppen av et såpehalm. Dråpen blir flat fordi såpen svekker overflatespenningen i vannet – og styrken er ikke lenger nok til å holde dråpen i form av en ball.

Hvordan lages såpebobler? Når vi tilsetter såpe i vannet, avtar overflatespenningen, og overflaten av vannet strekker seg på en måte og blir mer elastisk – så elastisk at du kan blåse luft inn i den og utvide den til en boble. Det er litt som å fylle en ballong med vann.

Dermed er en vanndråpe ikke rund, men ellipseformet. Skjell av forskjellige væsker har forskjellige grader av styrke. For eksempel har alkohol lavere overflatespenning enn vann, så det danner mindre dråper. Kvikksølv har derimot en overflatespenning som er 6 ganger større enn vann, så når et termometer går i stykker brytes det opp i mange små kuler.