Книги по аквариумистике
Лучшая on-line библиотека для начинающих и профессионалов!
Скорость подъема пузырьков
На рисунке (стр. 135) показана зависимость скорости подъема пузырьков от диаметра пузырьков, при диаметрах до 30 мм. В пенообразовании для нас интересна только область до 5 мм.
Скорость подъема пузырька воздуха существенно зависит от его диаметра
Пузырьки размером свыше 5 мм не образуются обычными системами получения пузырьков даже в пресной воде. Но как раз в этой области различные авторы дают очень различающиеся виды кривых. В нашем понимании кривая 3 очень приблизительно описывает процесс в рое пузырьков, в то время как кривые 1 и 2 касаются отдельно поднимающихся пузырьков.
Область интенсивного вспенивания на одном рисунке в зависимости от содержания солей в воде, на другом – скорость подъема пузырьков в зависимости от диаметра пузырьков
Пузырьки с диаметром до 1 мм практически могут рассматриваться как твердые шарики. Они постоянно поднимаются, следуя по прямой линии. Пузырьки с диаметром до 2 мм из-за пересечения с потоком и появляющимся сжатием образуют эллипс и в результате движутся по спирали с частичной вибрацией. Эта вибрация получается через смещение вихря на нижней поверхности пузырька. Можно легко представить, что подобные перемещения вихрей противодействуют контакту с твердыми частичками или способствуют отрыву уже присоединенных к частицам пузырьков. На рисунке со стр. 135 (нижнем) это отражено. На левой стороне приводится уже упомянутая зависимость скорости подъема пузырьков от содержания солей. На правой – зависимость скорости подъема пузырьков от диаметра пузырьков. Если исходить из того, что в расчет принимается только диаметр 2 мм, то это соответствует скорости подъема примерно 20 см/с. Если при этом значении посмотреть на левую диаграмму, то понятно, что такая скорость достигается при содержании солей 10%. Как уже упоминалось выше, такое содержание солей делает возможным вспенивание с незначительными затратами и хорошими результатам уже в водах Балтийского моря.
Источник
Скорость подъема воздуха под водой
Ю.Б.Базаров 1 , Д.Е Мешков 3 , Е.Е.Мешков 1,2 , В.С.Сиволгин 3
1 РФЯЦ – ВНИИЭФ 2 СарФТИ 3 Лицей №15 (г. Саров)
Введение
Основная его часть – корпус медицинского шприца. Корпус шприца закреплен в пластине. На верхней части шприца скотчем закреплен небольшой кусок резины. В нижнюю часть шприца вставляется пробка из оргстекла, в которую в свою очередь загоняется герметизирующая резинка, сделанная из ластика. Сбоку в корпус шприца ввинчивается штуцер, соединенный через шланг с автомобильным насосом. В резинку вставляется игла нужной длины. Подробнее техника эксперимента описана в статье [3]
При проведении эксперимента надувался пузырь из резины нужного размера. Далее резиновая оболочка прорывалась иглой в полюсе; при этом остатки оболочки соскальзывают вдоль поверхности раздела вода-воздух, образуя пузырь воздуха.
Подъём пузыря и возникающее при этом течение регистрировались скоростной видеокамерой VS-FAST [5] с частотой
500 кадров в секунду.
Результаты экспериментов и их обсуждение
1мс [6], «обнажая» пузырь воздуха
рис 3. Скоростная (500к/с) съемка процесса подъёма и образования вихревого кольца
из пузыря воздуха объёмом 0.15 л. Время на кадрах указано от момента пробоя
резиновой оболочки. В процессе подъёма донная струя (ДС) пробивает пузырь
воздуха, образуя вихревое кольцо.
При этом поверхность пузыря оказывается возмущённой – она становится похожей на бугорчатую поверхность апельсина. Это возмущение является следствием скольжения стягивающейся резины по границе раздела вода-воздух на поверхности пузыря. Через некоторое время (
60 мс) поверхность пузыря становится гладкой, а бугорки начального возмущения порождают слой мелких пузырьков воздуха, окружающих основной пузырь, представленных на рис.4.
Происхождение этих пузырьков связанно, по-видимому, с неустойчивостью границы раздела воздух-вода на поверхности пузыря при её импульсном ускорении [7,8], вследствие небольшого расширения пузыря. Давление воздуха в пузыре под водой перед пробоем оболочки имеет две составляющие: a) давление водяного столба над пузырём и воздушной атмосферы и б)давление растянутой резиновой оболочки.
При разрыве оболочки остаётся только первая составляющая, и в результате пузырь немного расширяется. На рис.5 представлены результаты измерений поперечного размера пузыря (d) после схода оболочки в зависимости от времени.
3 мм. Соответственно, граница пузыря смещается скачком на
1,5 мм в радиальном направлении. Следствием такого двойного импульсного ускорения (сначала вызванного резким расширением пузыря из состояния покоя и затем остановкой) является рост бугорчатых начальных возмущений вследствие развития неустойчивости [7,8] и затем их отрыв от основного пузыря.
В процессе последующего подъёма основного пузыря слой этих мелких пузырей скатывается вниз под основной пузырь, и образует там облако, сравнительно медленно поднимающееся вслед за основным пузырём.
Кадры скоростной съёмки, представленные на рис.3, позволяют также детально рассмотреть процесс превращения пузыря в вихревое кольцо вследствие образования и развития донной струи (t
40 мс ÷ 120 мс) и прорыва его купола.(t
120 мс ÷ 160 мс). Прорыв сопровождается образованием облачка мелких пузырьков над основным пузырём. Пузырь трансформируется в вихревое кольцо.
В начальной стадии подъёма пузырь всплывает со скоростью подъема 0.37 м/c, а после образования вихревого кольца скорость уменьшается до 0.18 м/c.
Если наблюдать данный процесс в динамике (как кинофильм), то видно, что это кольцо вращается в направлении, заданном движением донной струи.
Динамика течения в этом опыте отображена на графике рис.6. Здесь приведена зависимость высоты подъёма верхней части пузыря H, нижней части пузыря h, верхушки донной струи Hs, и поперечного размера пузыря d от времени t. Расстояния отсчитываются от дна сосуда.
Остановимся на причинах образования донной струи. В начальной стадии движения пузырь имеет практически сферическую форму. Как только он начинает смещаться вверх, одновременно возникает течение около пузыря (рис.7). Пузырь поднимается вверх, а вода обтекает его и устремляется под пузырь. Поток воды вокруг пузыря является симметричным относительно вертикальной оси пузыря. И как следствие под пузырём поток имеет конвергентный, сходящийся характер.
Также интересно отметить необычный характер развития неустойчивости Рэлея-Тэйлора на верхней части пузыря, на начальной стадии его подъёма (рис.8). После схода резиновой оболочки на поверхности пузыря образуется мелкомасштабные возмущения (о которых мы уже писали выше). В верхней части пузыря реализуются условия для развития неустойчивости Рэлея-Тэйлора (вода над воздухом). В результате развития этой неустойчивости начальные возмущения начинают развиваться: с одной стороны, увеличивается их амплитуда, а с другой стороны, увеличивается и их масштаб (характерная длина волны возмущения). Вместе с этим наблюдается преимущественный рост возмущения, находящегося в области оси симметрии пузыря на верхней его границе. В результате, центральное возмущения в виде купола как бы вытесняет другие возмущения на периферию, и рост этих возмущений прекращается; при этом они как бы скатываются вниз, образуя гладкий купол.
Таким образом, при помощи скоростной видеосъёмки (500 кадров в секунду) были получены данные, детально иллюстрирующие процесс формирования вихревого кольца при подъёме в воде воздушного пузыря объёмом от 0.15 до 0.3 литра. Были получены данные об образовании и развитии «донной струи». В экспериментах наблюдались некоторые необычные эффекты, связанные с гидродинамическими неустойчивостями; в частности наблюдались процессы стабилизации неустойчивости Рэлея-Тэйлора в верхней части пузыря, связанные со сдвиговым течением и поверхностным натяжением.
Источник
тело всплывает из под воды, оценить максимальную скорость выпрыгивания ивысоту.
Сначала простая задача шарик для пинг-понга, ожем погрузить как можно глубже, рано или поздно глубина погружения уже не играет роли, сила сопротивления равна, силе трения. Будет двигаться под водой равномерно. Нужно узнать высоту выпрыгивания над водой.
И более инженерный вопрос, спроектировать такой поплавок, скорость всплытия которого будет макимальна.
А ты не погружай слишком-то, а то там давление такое, что твое тело просто раздавит и оно вообще не всплывет. Начни с небольших глубин, закона Архимеда и закона Ньютона — и у тебя все получится.
По ним получается, что шарик будет всплывать со скоростью около полутора метров в секунду. Попробовал сейчас в рукомойнике. Да скорость примерно такая. Но при всплытии шарик не отрывается от поверхности воды, — при такой малой массе слишком мала кинетическая энергия и слишком велики силы поверхностного натяжения.
Правда один раз шарик выпрыгнул из рукомойника, преодолев бортик, возвышавшийся над водой на один сантиметр. Причина, вероятно, в том, что вместе с шариком поднимается на поверхность воды всплеск объёмом с полшарика. Шарик при всплытии обычно съезжает в сторону от всплеска. Но тут натолкнулся на стенку и перепрыгнул её))
Если вместо шарика взять длинную китообразную каплю и подобрать оптимальную её плотность, скажем, вполовину или вчетверть плотности воды, то всплывать она будет уже со скоростью 5 метров в секунду (18 километров в час) . Такая «сигара» будет тормозить силой тяготения полсекунды и преодолеет теоретически 1.25 метра. В итоге, с учётом всех потерь, хвост «сигары» оторвётся от поверхности воды на полметра.
При половинной плотности сигары оптимальная глубина погружения должна быть приблизительно равна теоретической высоте прыжка плюс длина сигары, то есть почти полтора метра. Вроде
Чем меньше глубина погружения (5 см) тем выше выпрыгивает шарик Максимальная высота 10 см
Во-первых, чем меньше плотность Вашего тела, тем больше сила Архимеда. И чем оно более «обтекаемое», тем больше скорость.
Источник
Скорость подъема воздуха под водой
Скорость подъема с глубины в дайвинге. Почему именно 10 метров?
С незапамятных времен шел спор о скорости подъема аквалангиста с глубины. Вопрос этот в равной мере как технический, так и философский.
9 м/мин, 18м/мин, 10м/мин или не быстрее выдыхаемых пузырей?
Изначально, на заре XX века практически повсеместно была принята скорость всплытия 18 метров в минуту. Королевский флот Великобритании начал использовать для расчетов погружений таблицы Холдейна, которые не имели уточнений по максимальной скорости подъема. Определялось лишь общее время подъема с глубины, включающее и время декомпрессионных остановок.
На тот момент не было подводных компьютеров и водолаза вытягивали из воды со скоростью 60 футов в минуту.
Грубо говоря, по футу в секунду. Такую скорость было удобно контролировать с поверхности. Страховочный конец вытягивали из воды, по времени замеряя его длину.
В привычных нам единицах измерения это было 18 метров в минуту.
Именно эта скорость всплытия долгое время принималась за норму в силу простоты ее контроля с поверхности — фут страховочного конца вытягивали за секунду.
Параллельно с этим ученые спорили, предлагали разные скорости, но сам механизм подъема долгое время оставался неизменным в силу простоты контроля этой скорости с поверхности.
Все усложнилось с появлением акваланга и соответственно легких аквалангистов. Аппарат автономного дыхания (SCUBA) или просто акваланг позволял человеку плавать, где угодно, и не быть связанным с поверхностью. Это значительно расширило рамки свободы подводника, но снова возник вопрос контроля скорости подъема с глубины.
Ввиду отсутствия компьютеров аквалангисты контролировали эту скорость по выдыхаемым пузырям. Человек производил выдох и следил за одним из пузырей, стараясь не обгонять его при подъеме.
Данный способ контроля был весьма ненадежным для аквалангиста. Человек путал эти пузыри, переключал внимание на что-то другое и терял контроль над скоростью. Тем не менее, по общему согласию скорость 18 м/мин оставалась нормой.
Вспомогательными элементом контроля могли служить еще и глубиномер на основе Бурдоновой трубы и герметичные часы. Аквалангист также следил за скоростью всплытия, пытаясь подниматься не быстрее фута в секунду.
Все эти способы контроля были приблизительными. В это время ученые и естествоиспытатели продолжали свои споры об идеальной скорости подъема. Кто-то утверждал, что 18 м/мин — это слишком быстро и предлагал скорость 9м/мин или 10м/мин, а некоторые настаивали на скорости в 5м/мин или даже 3м/мин.
Середина и конец XX века ознаменовались победой цифровой техники и появлением сначала аналоговых, а потом и цифровых подводных компьютеров, заменяющих все эти старинные способы контроля. Компьютер давал аквалангисту реальную и точную скорость подъема, время на дне и глубину погружения, плюс указывал на необходимость декомпрессионных остановок на нужных глубинах.
Спор о скорости подъема аквалангиста окончился полнейшей ничьей для всех спорщиков.
Скорость подъема с глубины зависит от самой глубины, а точнее — от перепада давления. На больших глубинах нет смысла подниматься медленно, поскольку маленький перепад давления не дает риска получения баротравм при увеличении скорости всплытия. Зато длительное всплытие приводит к большему насыщению тканей азотом на больших глубинах. А вот на малых глубинах как раз крайне важна малая скорость из-за резкого перепада давления.
Например, с 0 до 10 метров перепад в два раза, с 10 метров до 20 в полтора раза. Чем глубже, тем меньше перепад давления. Таким образом получается, что для разных глубин желательно использовать разные скорости подъема. Поначалу можно плыть быстрее, а при приближении к поверхности замедляться.
В итоге, современные подводные компьютеры для любительского дайвинга ставят предельным значением скорости подъема 9-10 метров в минуту. То есть эта скорость усредненная.
Столь медленная скорость всплытия подразумевает то, что владелец компьютера не станет совершать погружения на огромные глубины и ограничится небольшой глубиной. Например, по стандартам Национальной Дайв Лиги максимальная глубина рекреационного дайвинга — 40 метров.
То есть делается жесткое ограничение по глубине и единая на весь процесс всплытия низкая скорость подъема. Это гарантия Вашей безопасности.
Источник
