Tại sao giọt nước lại có hình dạng giống quả bóng. Tại sao vòng giảm

"bài báo" Một giọt nước - như nó là". Nơi chúng ta sẽ nói về giọt nước là gì, nó khác gì với giọt nước không và những điều thú vị khác.

Một giọt nước - như nó vốn có - là một cách để bạn có cái nhìn sâu hơn về thế giới xung quanh chúng ta. Nhìn nó bằng con mắt khác, từ một góc độ khác - không phải bình thường, mà là khác. Trong trường hợp của chúng tôi, khoa học hơn một chút.

Vì vậy, trong hầu hết các trường hợp, một giọt nước được coi như một quả bóng nước, gây khó chịu khi nhỏ giọt từ vòi và dễ chịu khi trời mưa bên ngoài cửa sổ.

Nhưng đây chỉ là cái nhìn đầu tiên. Vì vậy, theo từ điển:

Giọt là một lượng nhỏ chất lỏng có hình dạng tròn do sự kết dính của các phần tử của nó. Trọng lượng của một giọt phụ thuộc vào nhiệt độ, vào chất của vật thể mà từ đó giọt nước được tách ra, vào kích thước của vật thể này và vào sức căng bề mặt của chất lỏng.

Giọt là một thể tích chất lỏng nhỏ được bao bọc bởi một bề mặt cách nhiệt hoặc gần nó. Hình dạng của giọt được xác định bởi tác dụng của lực căng bề mặt và ngoại lực.

Sức căng bề mặt là lực mà các phân tử của một chất bị hút vào sâu bên trong vật liệu. Tất nhiên, có nhiều giải thích trừu tượng hơn (sức căng bề mặt là công của sự hình thành đẳng nhiệt thuận nghịch của một đơn vị diện tích bề mặt này, vật liệu BES). Nhưng trên thực tế, mọi thứ khá đơn giản. Trong trường hợp của nước, sức căng bề mặt của nước không là gì ngoài các phân tử nước hút nhau. Giống như bụi sắt xung quanh nam châm.

Vì vậy, chúng ta có hai lực - các phân tử nước hút nhau. Theo đó, khi chúng hút nhau trong những điều kiện nhất định, các giọt được hình thành.

Điều kiện hình thành giọt:

• khi chất lỏng chảy ra từ mép bề mặt hoặc từ các lỗ nhỏ (giọt giống nhau rơi ra từ vòi).
• khi hơi nước ngưng tụ:
  • a) trên bề mặt cứng, không thấm ướt;
  • b) trên các tâm ngưng tụ. (một ví dụ là khi có thứ gì đó từ trong sương mù lạnh lên).
• khi phun chất lỏng (nhân tiện, chất lỏng phun được sử dụng trong chữa cháy).
• nhũ hóa (trộn một chất lỏng này vào một chất lỏng khác không hòa tan trong đó; ví dụ, quá trình nhũ hóa xảy ra khi dầu và nước được trộn lẫn).
• sương được hình thành khi hơi nước ngưng tụ trên bề mặt, sương mù và mây - khi hơi nước ngưng tụ trên các hạt bụi trong không khí.

Trong mỗi trường hợp, hoàn cảnh tạo thành một lượng nước rất nhỏ. Vậy thì sức căng bề mặt của chúng ta đã nghiên cứu ở trên có hiệu lực.

Vì thế, thả hìnhđược xác định bởi tác dụng của sức căng bề mặt (chúng ta đã xác định nó là gì) và lực bên ngoài (chủ yếu là trọng lực). Những giọt nước siêu nhỏ, mà lực hấp dẫn không đóng vai trò quyết định, có hình dạng của một quả bóng - một vật thể có bề mặt tối thiểu cho một thể tích nhất định (vì các phân tử nước hút nhau một cách đồng đều). Những giọt lớn trong điều kiện trên cạn chỉ có dạng hình cầu khi khối lượng riêng của chất lỏng của giọt và môi trường của nó bằng nhau.

Các hạt mưa rơi xuống dưới tác dụng của trọng lực, áp suất của luồng không khí tới và sức căng bề mặt có hình dạng thuôn dài. Trên các bề mặt không phẳng, các giọt có dạng một quả bóng dẹt. Nhân tiện, hạt mưa không được lớn hơn 5 mm, vì những giọt lớn bị nghiền nát trong không khí.

Hình dạng của giọt nước là tối ưu về mặt khí động học, vì nó có bề mặt ít ngăn cản lực cản của không khí nhất trong quá trình bay.

Vì vậy, một giọt nước, như nó vốn có, là một sự trùng hợp ngẫu nhiên.

Một số trong số đó có nhiệm vụ nghiền nước thành các phần nhỏ, trong khi một số khác chịu trách nhiệm hút các phân tử nước vào nhau.

Dựa trên tư liệu http://voda.blox.ua/2009/05/Chto-takoe-KAPLYa-VODY.html

Chúng ta đã quen với ý tưởng rằng một giọt nước có hình dạng của một quả bóng. Trong thực tế, nó gần như không bao giờ là một quả bóng, mặc dù hình thức này cung cấp khối lượng ít nhất.

Một giọt nằm trên mặt phẳng nằm ngang thì được làm phẳng. Một giọt rơi trong không khí có hình dạng phức tạp. Và chỉ một giọt nước ở trạng thái không trọng lượng mới có dạng hình cầu.

Bách khoa toàn thư Liên Xô vĩ đại cung cấp những bức ảnh tức thời về những hạt mưa đang rơi. Đặc biệt, một giọt có đường kính 6 mm có hình dáng gần giống với hình mũ nấm; giọt có đường kính nhỏ hơn có dạng gần giống hình cầu.

Sự hình thành giọt có thể được mô tả bằng ba trạng thái đặc trưng. Trạng thái A ứng với thời điểm bắt đầu hình thành giọt: mặt chất lỏng ở cuối ống nằm ngang, bán kính cong rất lớn, lực căng bề mặt hướng vuông góc với thành ống và không cản trở chất lỏng chảy ra ngoài. Sau một thời gian ngắn, giọt chuyển sang trạng thái B, được đặc trưng bởi lực Laplacian cao nhất, làm chậm tốc độ hình thành giọt và do đó, tốc độ chảy ra. Ở trạng thái này, bán kính cong bề mặt r. Sau đó, thể tích của giọt tăng lên, nó chuyển sang trạng thái C, đặc trưng cho giai đoạn chính của sự hình thành giọt: lực Laplacian lớn, nhưng nhỏ hơn ở trạng thái B, và tiếp tục giảm khi tăng bán kính rơi; thời gian tích tụ khối lượng cần thiết để tách ra lớn so với thời gian chuyển từ trạng thái A sang trạng thái B, tốc độ dòng vẫn giảm.

bán kính thả

Sự rơi của một giọt mưa, do tính tương đối của chuyển động cơ học, trong ước lượng gần đúng đầu tiên, có thể được thay thế bằng sự trôi nổi của một giọt trong một luồng không khí tăng dần.

Chúng tôi lặp lại thí nghiệm được mô tả trong tạp chí. Các giọt được đặt vào máy bay phản lực bằng ống tiêm y tế. Để làm điều này, đầu của kim được đặt trong một luồng khí, và từ từ ép nước ra khỏi ống tiêm, thu được các giọt với nhiều thể tích khác nhau. Các giọt, do làm ướt, có thể lưu lại trên kim một thời gian. Tại thời điểm này, hình dạng của các giọt đã có thể được quan sát rõ ràng. Sau một thời gian, giọt kim loại rơi ra khỏi đầu kim và treo lơ lửng trong không khí trong vài giây. Thời gian này đủ để kiểm tra hình dạng của các giọt có kích thước khác nhau hoặc để chụp ảnh chúng.

Trong quá trình nghiên cứu, hóa ra những giọt có đường kính nhỏ thực sự có hình dạng gần giống quả bóng, và những giọt có đường kính lớn hơn có hình dạng giống như mũ nấm.

Quan sát sự phân rã của một giọt thành một vòng và tương tác của các vòng

Chúng tôi quyết định quan sát sự tan rã của một giọt mực thành một chiếc nhẫn để xác minh tính hợp lệ của dữ liệu do các tác giả trình bày về hành vi của một giọt mực trên bề mặt và bên trong nước. Trong quá trình thử nghiệm, chúng tôi ghi nhận rằng chất lỏng đặc hơn có xu hướng đi xuống theo quy luật được mô tả bởi sự không ổn định Rayleigh-Taylor, với sự hình thành của các xoáy.

Để làm điều này, chúng tôi sử dụng một bình thủy tinh trong suốt chứa đầy nước. Các ống mao dẫn có đường kính khác nhau đã được chọn và do đó, thu được các giọt có bán kính khác nhau.

Hành vi của một giọt mực phụ thuộc vào một số thông số: nếu một chất lỏng có tỷ trọng lớn, ví dụ, dung dịch natri clorua, hoặc một giọt rơi từ độ cao lớn và chạm vào bề mặt chất lỏng ở tốc độ cao, thì nó sẽ vỡ thành từng mảnh và không thấm sâu vào chất lỏng. Nhưng nếu mật độ của chất lỏng nhỏ hơn mực một chút và giọt nước rơi từ độ cao vài cm, thì những biến đổi thú vị sẽ xảy ra với nó.

Nếu bạn cẩn thận đưa một giọt mực lên bề mặt và chạm vào nó, thì giọt mực sẽ ngay lập tức bị hút vào nước và bắt đầu di chuyển xuống với tốc độ cao. Sự thả có được tốc độ này dưới tác dụng của lực hút lẫn nhau của các phân tử chất lỏng. Các lực phát sinh trong trường hợp này được gọi là lực căng bề mặt vì chúng luôn có xu hướng làm giảm bề mặt tự do của chất lỏng, hút nó vào và san bằng bất kỳ sự không bằng phẳng nào trên nó.

Đầu tiên, giọt mực được ngâm trong nước với tốc độ cao, nhưng sau đó chuyển động của nó chậm lại. Lý do cho sự chuyển động này là lực Archimedean, gần như cân bằng giữa lực hấp dẫn và lực ma sát giữa giọt nước và nước tĩnh. Vì lực ma sát chỉ tác dụng lên mặt ngoài của giọt nên sau khi đi được vài cm, giọt biến thành một vòng quay.

Cơ chế hình thành vòng xoáy khá đơn giản: bề mặt bên của giọt nước giảm tốc so với mặt nước tĩnh và bắt đầu tụt lại phía sau phần bên trong. Nơi ở giữa thất bại bị nước tinh khiết chiếm giữ.

Chiếc nhẫn không còn tròn hoàn hảo trong thời gian dài: vòng quay của nó chậm lại, trên đó xuất hiện những vết phồng và lõm. Hiện tượng này được gọi là mất ổn định Rayleigh-Taylor, có nghĩa là một lớp chất lỏng nặng nằm trên một lớp chất lỏng nhẹ hơn có thể ở trạng thái cân bằng, nhưng trạng thái cân bằng này sẽ không ổn định. Ngay khi mặt phân cách của chất lỏng hơi cong, chất lỏng nặng sẽ tràn vào chỗ lõm, và chất lỏng nhẹ sẽ bắt đầu nổi, làm tăng độ phồng. Điều này là hoàn toàn tự nhiên: chất lỏng có xu hướng chuyển sang vị trí cân bằng ổn định, khi nhẹ ở trên và nặng ở dưới.

Chuyển động của một máy bay phản lực trong chất lỏng đứng yên theo nhiều cách gợi nhớ đến chuyển động của một giọt nước duy nhất: dưới tác dụng của lực nhớt, một vòng xoáy lại được hình thành ở phần cuối của máy bay phản lực, trong vài giây, dưới tác dụng của hành động của sự mất ổn định Rayleigh-Taylor, bản thân nó sẽ tạo ra 2-3 phản lực. Quá trình “nảy chồi” này được lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi mực xuống đáy lon, để lại dấu vết.

Khi nghiên cứu sự tương tác của các vòng xoáy, tại thời điểm khi chúng ở cùng độ cao, chúng bắt đầu tương tác với nhau. Ba trường hợp có thể xảy ra.

Trường hợp đầu tiên - vòng thứ hai vượt qua vòng thứ nhất mà không chạm vào nó. Trong trường hợp này, những điều sau đây xảy ra. Thứ nhất, các dòng nước từ cả hai vòng, như nó, đẩy các vòng khỏi nhau. Thứ hai, dòng chảy của mực từ vòng thứ nhất sang vòng thứ hai được phát hiện: dòng nước ở vòng thứ hai mạnh hơn, và chúng mang mực theo chúng. Đôi khi một số mực này đi qua vòng thứ hai, làm hình thành một vòng nhỏ mới. Sau đó, các vòng bắt đầu phân chia, chúng tôi không thể nhận thấy bất cứ điều gì thú vị hơn nữa.

Trường hợp thứ hai - vòng thứ hai chạm vào vòng thứ nhất khi vượt. Kết quả là, các dòng chảy mạnh hơn của vòng thứ hai sẽ phá hủy vòng thứ nhất. Theo quy luật, các xoáy nhỏ mới hình thành từ cục mực còn sót lại từ vòng đầu tiên.

Trường hợp thứ ba - những chiếc nhẫn trải qua một tác động trung tâm. Trong trường hợp này, vòng thứ hai đi qua vòng thứ nhất và giảm kích thước, trong khi vòng thứ nhất, ngược lại, mở rộng. Như trong các trường hợp trước, điều này xảy ra do tác động lẫn nhau của các dòng nước từ vòng này sang vòng khác. Trong tương lai, các vòng bắt đầu phân chia.

Trang 2

Một giọt chất lỏng có thể lan rộng trên bề mặt nếu bề mặt được làm ướt tốt, và nếu bề mặt được làm ướt kém, thì giọt sẽ không lan rộng.

Một giọt chất lỏng trên bề mặt của chất rắn có thể lan ra thành một màng mỏng hoặc vẫn còn trên bề mặt dưới dạng thấu kính.

Một giọt chất lỏng đọng trên bề mặt rắn không ngay lập tức tạo thành một góc tiếp xúc không đổi trên bề mặt đó.

Một giọt chất lỏng lan truyền trên bề mặt rắn dưới ảnh hưởng của lực hút các phân tử chất lỏng đối với phân tử rắn, bao gồm dọc theo chu vi giọt ở khoảng cách tác dụng của lực phân tử, cũng như dưới tác dụng của trọng lực. Sự lan truyền bị ngăn cản bởi lực hút của các phân tử chất lỏng với nhau. Sự lan truyền của dầu có phụ gia trên bề mặt kim loại thường xảy ra trong một số giai đoạn.

Một giọt chất lỏng (sau khi thêm một giọt nước và làm lạnh) được trộn với dung dịch điphenylamin trong axit sunfuric đặc.

Người ta đặt một giọt chất lỏng A lên một đồng bạc. Sự xuất hiện nhanh chóng của một đốm đen nâu, không thể xóa được bằng nước, cho thấy sự hiện diện của lưu huỳnh.

Một giọt nhỏ chất lỏng có chứa tế bào được đặt trên cạnh được đánh bóng của mao quản buồng và tế bào được quan sát bằng kính hiển vi. Nếu tế bào nổi tự do trong chất lỏng, chẳng hạn như trong trường hợp của Paramecium, thì nó có thể nhanh chóng được đưa vào trong ống; nếu không, nó nên được đưa vào mao quản bằng một cây kim nhỏ. Sau khi tế bào được đưa vào mao quản, nước hoặc chất lỏng nơi tế bào nằm sẽ được lau sạch và đóng cửa ngăn bằng cách sử dụng một tấm bìa được bôi một lớp mỏng vaseline. Đặt ống vào nước của cốc Dewar bên trong và đổ đầy dung dịch natri hydroxit vào cốc. Sau khoảng một giờ, nhiệt độ cân bằng đã đạt được, lấy pipet mỏng lấy dung dịch kiềm ra khỏi cốc và lau sạch bằng tăm bông. Một giờ sau, mặt khum được đưa vào trường nhìn của kính hiển vi. Độ phóng đại của kính hiển vi phải sao cho khoảng 100 đường kính ống mao dẫn vừa với trường quan sát. Một micromet dùng cho mắt phải được lắp vào thị kính của kính hiển vi. Quan sát tốc độ chuyển động của mặt khum và ghi lại theo đơn vị chia của thước panme. Trong quá trình đo, nhiệt độ và áp suất được theo dõi định kỳ; nếu chúng thay đổi đáng kể, kết quả đo được coi là không đáng tin cậy và bị loại bỏ.

Nếu một giọt chất lỏng được hình thành do quá trình phun khí, thì sự hỗn loạn phát sinh bên trong nó lớn đến mức lực cản khuếch tán của lớp bề mặt của nó hóa ra là rất nhỏ. Sử dụng nguyên lý tiêm cho phép quá trình hấp thụ được thực hiện với cường độ cao.

Tại sao một giọt chất lỏng có xu hướng hình cầu?

Nếu một giọt chất lỏng được đặt trong dòng chảy hỗn loạn của một chất lỏng không thể trộn lẫn với nó, thì nó sẽ vỡ ra dưới tác động của các xung hỗn loạn. Trong trường hợp này, các xung quy mô lớn, thay đổi tương đối ít ở các khoảng cách theo thứ tự của kích thước rơi, không ảnh hưởng đến nó; biến dạng và nghiền được tạo ra bởi các xung quy mô nhỏ. Hiệu ứng nghiền phần lớn phụ thuộc vào thực tế là trong một dòng chảy hỗn loạn, vận tốc của chất lỏng của pha bên ngoài gần bề mặt của các hạt cầu tại hai điểm của nó sẽ khác nhau.

Nếu một giọt chất lỏng nằm trên bề mặt không bị chất lỏng này làm ướt, thì nó sẽ bị san phẳng dưới tác dụng của trọng lực. Tuy nhiên, sức căng bề mặt giữ cho sự sụt giảm không làm phẳng vô hạn, vì làm phẳng có nghĩa là tăng diện tích bề mặt.

Nếu một giọt chất lỏng được đặt trên bề mặt của một chất lỏng hoặc chất rắn khác không thể trộn lẫn với nó, thì nó có thể lan rộng hoặc vẫn ở dạng giọt không lan rộng. Điều này hoàn toàn phụ thuộc vào sức căng bề mặt của cả chất lỏng và sức căng bề mặt giữa chúng; điều này cũng đúng nếu pha dưới là chất rắn.

Chắc chắn bạn đã nhận thấy rằng những giọt rải rác ngẫu nhiên luôn có hình dạng tròn. Tại sao lại là vòng giảm?

Nếu bạn nhìn kỹ, bạn sẽ thấy rằng hình dạng của giọt không hoàn toàn tròn trịa. Ví dụ, nếu bạn nhìn những giọt mưa từ bên dưới, chúng có vẻ gần như phẳng. Một quả bóng lý tưởng chỉ có thể thực hiện được trong điều kiện không trọng lượng. Và kể từ khi chúng ta ở trên Trái đất, giọt nước (giống như tất cả các vật thể trên hành tinh của chúng ta) tiếp xúc với lực hấp dẫn. Điều này làm cho nó hơi phẳng. Do đó, hình dạng của giọt nước không phải là một hình cầu, mà là một hình elip, mặc dù với khoảng cách giữa các giao diện rất nhỏ.

Lực nào khác ngoài lực hút tác dụng lên vật thả? Lực căng bề mặt. Để giải thích nó hoạt động như thế nào, chúng ta hãy chuyển sang khóa học vật lý phân tử. Bề mặt của giọt có thể được coi như một màng bao gồm các phân tử, và các phân tử của lớp bên ngoài của nó không ở điều kiện ngang bằng với các phân tử của lớp bên trong. Các phân tử của lớp ngoài của màng có năng lượng tự do cao hơn. Trong một nỗ lực để đổ năng lượng dư thừa và cố gắng thâm nhập vào các lớp bên trong của giọt, chúng tạo ra áp suất. Vectơ lực áp suất luôn hướng vào tâm của giọt nước. Và lực mà các phân tử của các lớp bên ngoài của sự rơi xuống gây áp lực lên các phân tử của các lớp bên trong được gọi là lực căng bề mặt.

Do đó, các giọt càng nhỏ thì chúng càng tròn - chúng được thu vào một quả bóng nhờ lực căng bề mặt. Nhưng những giọt lớn hơn có hình dạng thuôn dài, bởi vì chúng quá nặng và lực này không còn đủ để giữ chúng ở hình dạng của một quả bóng.

Nhưng câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ: tại sao nó vẫn là hình cầu? Lý thuyết trên không giải thích đầy đủ điều này. Thực tế là trên một bề mặt hình cầu, tất cả các phân tử nằm trên nó đều ở trạng thái năng lượng bằng nhau. Nói cách khác, bề mặt hình cầu là ổn định về mặt năng lượng nhất, vì chính vị trí này là có lợi nhất cho hệ thống. Nói chung, quả bóng là dạng nhỏ gọn nhất trong tự nhiên.

Nếu giọt nước bị kéo căng, thì các phân tử nằm trên vùng bị kéo căng sẽ thu được năng lượng dư thừa cao hơn. Trong một nỗ lực để giải phóng năng lượng dư thừa, các phân tử một lần nữa đưa giọt trở lại trạng thái ban đầu, cuối cùng đưa hệ thống về trạng thái cân bằng.

Như sau từ phần trên, sức căng bề mặt, như nó vốn có, giữ nước trong một "lớp da" đàn hồi - một lớp vỏ. Vỏ bọc này làm cho giọt treo ở cuối vòi. Nếu giọt trở nên quá lớn, vỏ không chịu được, nó bị vỡ và rơi.

Chính nhờ lực căng bề mặt mà loài côn trùng sải nước nhỏ bé có thể đi trên mặt nước mà không cần lao vào. Còn thằn lằn bay có thể dễ dàng băng qua sông hoặc hồ nhỏ ngay trên mặt nước.

Bạn có thể làm cho một giọt nước phẳng? Có, và nó rất đơn giản. Cần phải chạm nhẹ vào nó bằng đầu ống hút xà phòng. Giọt nước trở nên phẳng vì xà phòng làm suy yếu sức căng bề mặt của nước - và sức mạnh của nó không còn đủ để giữ cho giọt nước có hình dạng như một quả bóng.

Bong bóng xà phòng được tạo ra như thế nào? Khi chúng ta thêm xà phòng vào nước, sức căng bề mặt giảm, và bề mặt của nước sẽ giãn ra và trở nên đàn hồi hơn — đàn hồi đến mức bạn có thể thổi không khí vào đó và nở ra thành bong bóng. Nó hơi giống như đổ đầy nước vào một quả bóng bay.

Vì vậy, một giọt nước không phải là hình tròn, mà là hình elip. Vỏ của các chất lỏng khác nhau có độ bền khác nhau. Ví dụ, rượu có sức căng bề mặt thấp hơn nước, vì vậy nó tạo thành các giọt nhỏ hơn. Mặt khác, thủy ngân có sức căng bề mặt lớn gấp 6 lần sức căng của nước nên khi vỡ nhiệt kế, nó sẽ vỡ ra thành nhiều quả bóng nhỏ.