Kwa nini tone la maji lina umbo la mpira? Kwa nini kushuka ni pande zote?

"makala" tone la maji - kama ilivyo". Ambapo tutazungumzia juu ya nini tone la maji ni, jinsi inavyotofautiana na yasiyo ya tone, na mambo mengine ya kuvutia.

Tone la maji - kama lilivyo - ni mojawapo ya njia za kuangalia kwa karibu ulimwengu unaotuzunguka. Iangalie kwa macho tofauti, kutoka kwa pembe tofauti - sio ya kawaida, lakini tofauti. Kwa upande wetu, ni kisayansi zaidi.

Kwa hivyo, katika hali nyingi, tone la maji huchukuliwa kama mpira wa maji, ambayo ni ya kukasirisha wakati wa kuteleza kutoka kwenye bomba, na hukufanya uwe na furaha wakati mvua inanyesha nje ya dirisha.

Lakini hii ni kwa mtazamo wa kwanza tu. Kwa hivyo, kulingana na kamusi:

Tone ni kiasi kidogo cha kioevu ambacho huchukua sura ya mviringo kutokana na kushikamana kwa chembe zake. Uzito wa tone hutegemea joto, juu ya dutu ya mwili ambayo tone hutenganishwa, kwa ukubwa wa mwili huu na juu ya mvutano wa uso wa kioevu.

Tone ni kiasi kidogo cha kioevu kilichopunguzwa na uso wa mzunguko au karibu nayo. Sura ya kushuka imedhamiriwa na hatua ya nguvu za mvutano wa uso na nguvu za nje.

Mvutano wa uso- hii ni nguvu ambayo molekuli za dutu huvutia kina ndani ya nyenzo. Kwa kweli, kuna maelezo zaidi ya kipuuzi (mvutano wa uso ni kazi ya malezi ya isothermal inayoweza kubadilika kwa kila eneo la uso huu, nyenzo za BES). Lakini kwa kweli, kila kitu ni rahisi sana. Katika kesi ya maji, mvutano wa uso wa maji sio kitu zaidi kuliko molekuli za maji zinazovutia kila mmoja. Kama vumbi la chuma karibu na sumaku.

Kwa hivyo, tuna nguvu mbili - molekuli za maji huvutia kila mmoja. Ipasavyo, wakati wanavutia kila mmoja chini ya hali fulani, matone huundwa.

Masharti ya kuunda matone:

• wakati kioevu kinapotoka kwenye makali ya uso au kutoka kwenye mashimo madogo (tone sawa linaloanguka kutoka kwenye bomba).
• wakati mvuke unaganda:
  • a) juu ya uso mgumu usio na mvua;
  • b) katika vituo vya condensation. (mfano: wakati kitu kilicholetwa kutoka kwenye ukungu baridi kinapanda).
• wakati wa kunyunyiza kioevu (kwa njia, kioevu cha kunyunyizia hutumiwa katika mapigano ya moto).
• emulsification (kuchanganya kioevu moja kwa nyingine, isiyo na maji ndani yake; mfano - emulsification hutokea wakati mafuta na maji vinachanganywa).
• Umande huundwa na msongamano wa mvuke wa maji kwenye nyuso, ukungu na mawingu huundwa kwa kufidia kwa mvuke wa maji kwenye chembe za vumbi hewani.

Katika kila kisa, hali huunda kiasi kidogo sana kutoka kwa maji. Kweli, basi mvutano wetu wa uso uliosomwa hapo juu unaanza kutumika.

Kwa hiyo, tone sura imedhamiriwa na hatua ya mvutano wa uso (tayari tumeamua ni nini) na nguvu za nje (kimsingi mvuto). Matone ya microscopic, ambayo mvuto haina jukumu la kuamua, yana sura ya mpira - mwili ulio na kiwango cha chini. kiasi kilichotolewa uso (kwani molekuli za maji zinavutiwa sawasawa kwa kila mmoja). Matone makubwa chini ya hali ya ardhi yana umbo la spherical tu wakati wiani wa kushuka kwa kioevu na mazingira yake ya jirani ni sawa.

Matone ya mvua yanayoanguka, chini ya ushawishi wa mvuto, shinikizo la mtiririko wa hewa unaokuja na mvutano wa uso, huchukua sura ya vidogo. Juu ya nyuso zisizo na mvua, matone huchukua sura ya mpira uliopangwa. Kwa njia, matone ya mvua hayawezi kuwa zaidi ya 5 mm, kwani matone makubwa hupasuka hewani.

Sura ya kushuka ni aerodynamically optimalt, kwa kuwa ina uso ambao huingilia kati upinzani wa hewa wakati wa kukimbia.

Kwa hivyo, tone la maji, kama ilivyo, ni bahati mbaya.

Baadhi yao ni wajibu wa kusaga maji katika sehemu ndogo, wakati wengine ni wajibu wa kuvutia molekuli za maji kwa kila mmoja.

Kulingana na nyenzo kutoka http://voda.blox.ua/2009/05/Chto-takoe-KAPLYa-VODY.html

Tumezoea wazo kwamba tone lina sura ya mpira. Kwa kweli, karibu sio mpira, ingawa umbo hili hutoa kiasi kidogo.

Tone lililokaa juu ya uso wa usawa limewekwa. Umbo tata ina tone linaloanguka hewani. Na tone tu katika hali ya kutokuwa na uzito huchukua sura ya spherical.

Katika kubwa Ensaiklopidia ya Soviet Picha za papo hapo za matone ya mvua zinazoanguka zinaonyeshwa. Hasa, droplet yenye kipenyo cha mm 6 ina sura karibu na sura ya kofia ya uyoga; Matone ya kipenyo kidogo yana sura karibu na mpira.

Uundaji wa tone unaweza kuelezewa kwa njia tatu: hali ya tabia. Jimbo A linalingana na mwanzo wa malezi ya tone: uso wa kioevu mwishoni mwa bomba ni usawa, radius ya curvature yake ni kubwa sana, nguvu za mvutano wa uso zinaelekezwa perpendicular kwa ukuta wa bomba na. usizuie kioevu kutoka nje. Kupitia muda mfupi tone huenda katika hali B, ambayo ina sifa ya nguvu kubwa ya Laplacian, ambayo hupunguza kasi ya malezi ya matone na, kwa hiyo, kiwango cha outflow. Katika hali hii, radius ya curvature ya uso ni r. Kisha kiasi cha kushuka huongezeka, hupita kwenye hali B, ambayo ina sifa ya hatua kuu ya malezi ya tone: nguvu ya Laplace ni kubwa, lakini chini ya hali ya B, na inapungua zaidi kwa kuongezeka kwa radius ya kushuka; Wakati wa kusanyiko la molekuli muhimu kwa kujitenga ni muda mrefu ikilinganishwa na wakati wa mpito kutoka hali A hadi hali B, kiwango cha uvujaji kinapungua zaidi.

Radi ya kushuka

Kuanguka kwa mvua, kwa sababu ya uhusiano harakati za mitambo, inaweza, kwa makadirio ya kwanza, kubadilishwa na matone ya kupanda katika mtiririko wa hewa unaopanda.

Tulirudia jaribio lililoelezwa kwenye jarida. Matone yaliwekwa kwenye mkondo wa hewa kwa kutumia sindano ya matibabu. Kwa kufanya hivyo, mwisho wa sindano uliwekwa kwenye mkondo wa hewa, na kwa polepole kufinya maji kutoka kwenye sindano, matone ya kiasi mbalimbali yalipatikana. Matone, kutokana na mvua, yanaweza kubaki kwenye sindano kwa muda fulani. Kwa wakati huu, unaweza kuona wazi sura ya matone. Baada ya muda fulani, tone huanguka kutoka kwenye ncha ya sindano na hutegemea hewa kwa sekunde chache. Wakati huu ni wa kutosha kuchunguza maumbo ya matone ya ukubwa mbalimbali au kupiga picha.

Katika kipindi cha utafiti, ikawa kwamba matone ya kipenyo kidogo kweli yana sura karibu na mpira, na matone ya kipenyo kikubwa yana sura ya kukumbusha kofia ya uyoga.

Uchunguzi wa kuoza kwa tone ndani ya pete na mwingiliano wa pete

Tuliamua kuchunguza mtengano wa kushuka kwenye pete ili kuthibitisha uhalali wa data iliyotolewa na waandishi kuhusu tabia ya kushuka kwa wino kwenye uso na ndani ya maji. Wakati wa jaribio, tulirekodi kuwa kioevu kikubwa zaidi huelekea chini kulingana na sheria ambazo zinafafanuliwa na kutokuwa na utulivu wa Rayleigh-Taylor, pamoja na kuundwa kwa vortices.

Ili kufanya hivyo, tulitumia chombo cha kioo cha uwazi kilichojaa maji. Capillaries iliyochaguliwa vipenyo mbalimbali na hivyo kupata matone ya radii tofauti.

Tabia ya kushuka kwa wino inategemea vigezo kadhaa: ikiwa kioevu kina msongamano mkubwa, kwa mfano, suluhisho chumvi ya meza, au tone huanguka kutoka urefu wa juu na hupiga uso wa kioevu kwa kasi ya juu, huvunja vipande vipande na haiingii kwa undani ndani ya kioevu. Lakini ikiwa wiani wa kioevu ni kidogo kidogo kuliko ile ya wino, na tone huanguka kutoka urefu wa sentimita kadhaa, basi mabadiliko ya kuvutia hutokea nayo.

Ikiwa unaleta kwa uangalifu tone la wino kwenye uso yenyewe na kuigusa, tone litatolewa mara moja ndani ya maji na kuanza kusonga chini kwa kasi kubwa. Tone hupata kasi hii chini ya ushawishi wa mvuto wa pamoja wa molekuli za kioevu. Nguvu zinazotokea katika kesi hii huitwa nguvu za mvutano wa uso kwa sababu daima huwa na kupunguza uso wa bure wa kioevu, kuchora ndani na kusawazisha usawa wowote juu yake.

Mara ya kwanza, tone la wino huingia ndani ya maji kwa kasi ya juu, lakini kisha harakati zake hupungua. Sababu ya harakati hii ni nguvu ya Archimedean, ambayo karibu inasawazisha nguvu ya mvuto, na nguvu ya msuguano kati ya tone na maji ya stationary. Kwa kuwa nguvu ya msuguano hufanya tu juu ya uso wa nje wa tone, baada ya kusafiri kwa sentimita chache, tone hugeuka kuwa pete inayozunguka.

Utaratibu wa malezi ya pete ya vortex ni rahisi sana: uso wa upande matone yanapunguzwa na maji ya utulivu na huanza kupungua nyuma ya ndani. Mahali ya katikati iliyoshindwa inachukuliwa na maji safi.

Pete haina kubaki kikamilifu pande zote kwa muda mrefu: mzunguko wake unapungua, na bulges na depressions kuonekana juu yake. Jambo hili linaitwa kutokuwa na utulivu wa Rayleigh-Taylor, ambayo inajumuisha ukweli kwamba safu ya kioevu kizito iliyo kwenye safu ya kioevu nyepesi inaweza kuwa katika usawa, lakini usawa huu hautakuwa imara. Mara tu uunganisho kati ya vinywaji unapoinama kidogo, kioevu kizito kitakimbilia kwenye unyogovu, na kioevu nyepesi kitaanza kuelea, na kuongeza uvimbe. Hii ni ya asili kabisa: vinywaji huwa na nafasi ya usawa thabiti, wakati nyepesi iko juu na ile nzito iko chini.

Harakati ya ndege katika kioevu kilichosimama ni kwa njia nyingi kukumbusha harakati ya tone la mtu binafsi: chini ya hatua ya nguvu za viscous, pete ya vortex huundwa tena mwishoni mwa ndege, ambayo kwa sekunde chache, chini ya ushawishi wa kukosekana kwa utulivu wa Rayleigh-Taylor, yenyewe itatoa jets 2-3. Utaratibu huu wa "budding" hurudiwa mara kadhaa mpaka wino ufikie chini ya jar, na kuacha njia nyuma yake.

Wakati wa kusoma mwingiliano wa pete za vortex, wakati ziko kwenye urefu sawa, huanza kuingiliana na kila mmoja. Kuna kesi tatu zinazowezekana.

Kesi ya kwanza ni wakati pete ya pili inapita ya kwanza bila kuigusa. Yafuatayo hutokea. Kwanza, mtiririko wa maji kutoka kwa pete zote mbili unaonekana kusukuma pete kutoka kwa kila mmoja. Pili, mtiririko wa wino kutoka kwa pete ya kwanza hadi ya pili hugunduliwa: mtiririko wa maji wa pete ya pili ni mkali zaidi, na hubeba wino pamoja nao. Wakati mwingine baadhi ya wino huu hupitia pete ya pili, na kusababisha kuundwa kwa pete mpya ndogo. Kisha pete huanza kugawanyika; basi hatukuweza kuona chochote cha kuvutia.

Kesi ya pili ni wakati pete ya pili inagusa ya kwanza wakati wa kupita. Matokeo yake, mtiririko mkali zaidi wa pete ya pili huharibu kwanza. Kama sheria, vortices mpya ndogo huundwa kutoka kwa kitambaa cha wino kilichobaki kutoka kwa pete ya kwanza.

Kesi ya tatu ni wakati pete hupata athari kuu. Katika kesi hiyo, pete ya pili inapita kwa kwanza na inapungua kwa ukubwa, wakati wa kwanza, kinyume chake, hupanua. Kama ilivyo katika kesi zilizopita, hii hutokea kwa sababu ya hatua ya pamoja ya mtiririko wa maji kutoka pete moja hadi nyingine. Baadaye, pete huanza kugawanyika.

Ukurasa wa 2

Tone la kioevu linaweza kuenea juu ya uso ikiwa uso umetiwa maji vizuri, lakini ikiwa uso haujawashwa vizuri, tone hilo halitaenea.  

Tone la kioevu juu ya uso imara, inaweza kuenea kwenye filamu nyembamba au kubaki juu ya uso kwa namna ya lens.  

Tone la kioevu lililowekwa kwenye uso thabiti haifanyi mara moja angle ya mawasiliano ya thamani ya mara kwa mara juu yake.  

Tone la kioevu huenea juu ya uso imara chini ya ushawishi wa mvuto wa molekuli ya kioevu kwa molekuli imara, ikiwa ni pamoja na kando ya mzunguko wa kushuka kwa umbali wa hatua ya nguvu za Masi, na pia chini ya ushawishi wa mvuto. Nguvu za kushikamana za mvuto wa molekuli za kioevu kwa kila mmoja huzuia kuenea. Kueneza kwa mafuta na viongeza kwenye nyuso za chuma mara nyingi hutokea katika hatua kadhaa.  

Tone la kioevu (kwa kuongeza tone la maji na baridi) linachanganywa na suluhisho la diphenylamine katika asidi ya sulfuriki iliyojilimbikizia.  

Tone la kioevu A linawekwa kwenye sarafu ya fedha. Kuonekana kwa haraka kwa rangi ya kahawia-nyeusi ambayo haiwezi kuosha na maji inaonyesha kuwepo kwa sulfuri.  

Tone ndogo la kioevu iliyo na kiini huwekwa kwenye makali ya chini ya capillary ya chumba na kiini kinazingatiwa kwa kutumia darubini. Ikiwa kiini huelea kwa uhuru kwenye kioevu, kama ilivyo kwa Paramecium, basi inaweza kuletwa haraka ndani ya bomba; vinginevyo, inapaswa kuletwa ndani ya capillary kwa kutumia sindano nyembamba. Baada ya kiini kuingizwa ndani ya capillary, maji au kioevu ambacho kiini kilikuwa kinafutwa na kioo cha kifuniko kilichowekwa na safu nyembamba ya Vaseline hutumiwa kufunga ufunguzi wa chumba. Weka bomba kwenye maji ya kikombe cha ndani cha Dewar na ujaze kikombe tena na suluhisho. soda ya caustic. Baada ya takriban saa, usawa wa joto umefikiwa, ondoa suluhisho la alkali kutoka kwenye kikombe na pipette nyembamba na uifuta kwa swab ya pamba. Baada ya saa nyingine, meniscus huletwa kwenye uwanja wa mtazamo wa darubini. Ukuzaji wa darubini inapaswa kuwa takriban kipenyo cha 100 cha capillary kwenye uwanja wa kutazama. Mikromita ya kijicho lazima iingizwe kwenye kijicho cha hadubini. Kasi ya harakati ya meniscus inazingatiwa na kurekodiwa katika vitengo vya mgawanyiko wa kiwango cha micrometric. Wakati wa mchakato wa kipimo, joto na shinikizo hufuatiliwa mara kwa mara; ikiwa zinabadilika dhahiri, matokeo ya kipimo huchukuliwa kuwa hayaaminiki na kutupwa.  

Ikiwa tone la kioevu linaundwa kama matokeo ya sindano ya gesi, basi msukosuko unaotokea ndani yake ni mkubwa sana hivi kwamba upinzani wa uenezaji wa safu ya uso wake unageuka kuwa ndogo sana. Matumizi ya kanuni ya sindano inaruhusu mchakato wa kunyonya ufanyike kwa kiwango cha juu cha ukali.  

Kwa nini tone la kioevu huwa na spherical?  

Ikiwa tone la kioevu limewekwa katika mtiririko wa msukosuko wa kioevu ambao hauchanganyiki nayo, basi kugawanyika kwake hutokea chini ya ushawishi wa pulsations ya msukosuko. Katika kesi hii, pulsations kubwa, ambayo hubadilika kidogo juu ya umbali wa utaratibu wa ukubwa wa tone, haiathiri; deformation na kusagwa huzalishwa na pulsations ndogo ndogo. Athari ya kusagwa kwa kiasi kikubwa inategemea kile kilicho ndani mtiririko wa misukosuko kasi ya kioevu ya awamu ya nje kwenye uso wa globules katika pointi zake mbili itakuwa tofauti.  

Ikiwa tone la kioevu hutegemea uso ambao haujatiwa na kioevu hiki, basi hupigwa chini ya ushawishi wa mvuto. Hata hivyo, mvutano wa uso huzuia droplet kutoka gorofa kwa muda usiojulikana, kwa kuwa gorofa ina maana ya kuongeza eneo la uso.  

Ikiwa tone la kioevu limewekwa juu ya uso wa kioevu kingine, kisichoweza kutenganishwa au kigumu, kinaweza kuenea au kubaki kama tone lisiloenea. Hii inategemea kabisa mvutano wa uso wa vinywaji vyote na juu ya mvutano wa uso kati yao; sawa ni kweli ikiwa awamu ya chini ni imara.  

Hakika umeona kwamba matone yaliyotawanyika kwa machafuko daima yana sura ya pande zote. Kwa nini kushuka ni pande zote?

Ikiwa unatazama kwa karibu, utaona kwamba sura ya tone sio kabisa pande zote. Kwa mfano, ukiangalia matone ya mvua kutoka chini, yanaonekana karibu gorofa. Mpira kamili unawezekana tu katika hali ya kutokuwa na uzito. Na kwa kuwa tuko duniani, tone (kama miili yote kwenye sayari yetu) inaonyeshwa mvuto. Hii inafanya kuwa bapa kidogo. Kwa hivyo, umbo la kushuka kuna uwezekano mkubwa sio tufe, lakini ellipsoid, ingawa kwa umbali mdogo sana wa kuingiliana.

Ni nguvu gani nyingine, badala ya nguvu ya kivutio, hufanya juu ya kushuka? Nguvu ya mvutano wa uso. Ili kueleza jinsi inavyofanya kazi, hebu tuangalie kozi fizikia ya molekuli. Uso wa tone unaweza kuzingatiwa kama filamu inayojumuisha molekuli na molekuli zake tabaka za nje si katika hali sawa na molekuli za ndani. Molekuli za safu ya nje ya filamu zina kubwa zaidi nishati ya bure. Kujaribu kutolewa nishati ya ziada na kujaribu kupenya tabaka za ndani za tone, huunda shinikizo. Vector ya nguvu ya shinikizo daima inaelekezwa kuelekea katikati ya kushuka. Na nguvu ambayo molekuli za tabaka za nje za vyombo vya habari vya kushuka kwenye molekuli za tabaka za ndani huitwa. nguvu ya mvutano wa uso.

Kwa hivyo, matone madogo, ni pande zote zaidi - hukusanywa kwenye mpira kwa nguvu ya mvutano wa uso. Lakini matone makubwa yana umbo la vidogo, kwa sababu ni nzito sana na nguvu hii haitoshi tena kuwaweka katika sura ya mpira.

Lakini swali linabaki wazi: kwa nini bado ni spherical? Nadharia hapo juu haielezi hili kikamilifu. Ukweli ni kwamba juu ya uso wa spherical molekuli zote ziko juu yake ni sawa hali ya nishati. Kwa maneno mengine, uso wa spherical ndio thabiti zaidi kwa nguvu, kwani hii ndio nafasi nzuri zaidi kwa mfumo. Kwa ujumla, mpira ni sura ya kompakt zaidi katika asili.

Ikiwa tone limenyooshwa, molekuli ziko katika maeneo yaliyonyoshwa hupata nishati ya juu zaidi. Katika jitihada za kutoa nishati ya ziada, molekuli hurejesha kushuka kwa hali yake ya awali, ambayo hatimaye huleta mfumo katika usawa.

Kama ifuatavyo kutoka hapo juu, mvutano wa uso unaonekana kushikilia maji kwenye "ngozi" ya elastic - ganda. Gamba hili hufanya tone hutegemea mwishoni bomba la maji. Ikiwa tone inakuwa kubwa sana, shell haiwezi kuhimili, huvunja, na kushuka huanguka.

Ni kutokana na nguvu ya mvutano wa uso kwamba wadudu wadogo wa maji wanaweza kutembea juu ya uso wa maji bila kutumbukia ndani yake. Na mjusi wa basilisk anaweza kukimbia kwa utulivu kuvuka mto au ziwa ndogo juu ya uso wa maji.

Je, inawezekana kufanya tone la maji gorofa? Ndio, na rahisi sana. Unahitaji kuigusa kwa upole na ncha ya majani ya sabuni. Tone inakuwa gorofa kwa sababu sabuni hupunguza mvutano wa uso wa maji - na nguvu yake haitoshi tena kushikilia tone katika sura ya mpira.

Mapovu ya sabuni yanatengenezwaje? Tunapoongeza sabuni kwa maji, nguvu ya mvutano wa uso hupungua, na uso wa maji huonekana kunyoosha na kuwa elastic zaidi - hivyo elastic kwamba unaweza kupiga hewa ndani yake na itaenea ndani ya Bubble. Ni kama kujaza puto na maji.

Kwa hivyo, tone la maji sio pande zote, lakini ellipsoidal. Maganda ya vimiminika mbalimbali yana viwango tofauti nguvu. Kwa mfano, pombe ina mvutano wa chini wa uso kuliko maji, hivyo huunda matone madogo. Mercury, kwa upande mwingine, ina mvutano wa uso mara 6 zaidi kuliko ile ya maji, hivyo wakati thermometer inapasuka, inagawanyika katika mipira mingi ndogo.