Физики объяснили механизм распада капли на брызги при столкновении с поверхностью
Massachusetts Institute of Technology
Американские физики разработали модель распада тонкой пленки жидкости на отдельные капли, которая учитывает зависимость ее ускорения от времени. Такая пленка образуется, например, при столкновении капли жидкости с твердой поверхностью. Предложенные результаты удалось подтвердить экспериментально с помощью высокоскоростной съемки разбрызгивания капель различных жидкостей, пишут ученые в статье в Physical Review Letters.
При контакте с поверхностью многие большие капли жидкости распадаются на значительно более маленькие отдельные капельки. При этом такое разбрызгивание может происходить не только после падения капли на поверхность с большой скоростью, но и в более спокойных условиях (например, даже если капля просто лежит на поверхности другого химического состава). Процесс формирования мелких брызг очень важен с точки зрения многих процессов химической технологии, основанных на работе с аэрозолями, а также для предотвращения распространения токсичных жидкостей или при исследовании процессов передачи болезней воздушно-капельным путем. В качестве одного из способов гашения брызг ученые предлагают, например, подбирать поверхности с нужными механическими свойствами.
Количество и форма брызг, а также скорость их образования, связаны с процессом развития гидродинамических неустойчивостей на границе между жидкостью и газом. Чаще всего отделение небольших капелек от объемной жидкости определяется неустойчивостями двух типов: Релея — Плато или Релея — Тейлора. В первом случае происходит распад очень тонкой струи на капли за счет стремления к уменьшению поверхностной энергии, а во втором важную роль при отрыве капелек играет еще и сила тяжести.
Как правило, теоретические работы рассматривают развитие двух этих типов неустойчивостей только в стационарном режиме, то есть в таких системах, в которых конфигурация не зависит от времени. Американские физики из Массачусетского технологического института под руководством Лидии Буруйба (Lydia Bourouiba) с помощью комплексного теоретического и экспериментального исследования показали, что в случае распада на брызги падающей на твердую поверхность капли очень важно учитывать еще и возможную нестационарность системы. Авторы работы отмечают, что при столкновении капли жидкости с твердой поверхностью сначала происходит образование радиально симметричной пленки в форме конуса, и именно нестационарное развитие этой пленки может приводить к развитию неустойчивостей и распаду на отдельные капли.
Для проведения эксперимента ученые использовали высокоскоростную камеру, с помощью которой исследовали процесс столкновения капель нескольких жидкостей с различными типами поверхностей (твердых и жидких), которые отличались друг от друга по упругим свойствам, расстоянию от точки падения до края, химическому составу и шероховатости. При этом в зависимости от свойств жидкости формируется конусообразный слой, который потом может распадаться на отдельные капли или нет.
Картина формирования брызг при падении капли на торцевую поверхность цилиндрического стержня
Источник
Проект по теме: Физическая лаборатория «Капля жидкости»
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
Средняя образовательная школа №2
Шуплецова Вера Николаевна
Школа №2 класс 7 Н
Перевалова Наталья Васильевна
г. Березники 2016
Практическая часть…………. 7
Этапы реализации проекта …………………………………………14
О капле можно рассказать так . Это нужно видеть, когда на рассвете капля дождя, величественная и прекрасная, опускается на звучную крышу. Она летит оттуда, где всё клубится. Капля жидкости, что это? Какие новые знания можно получить с помощью экспериментов с каплей?
В процессе выполнения работы: проведения наблюдений и опытов с каплями жидкости, создаётся обучающий комплекс под названием: Физическая лаборатория: «Капля жидкости», то есть набор приборов и материалов, которые можно использовать на факультативных занятиях и уроках физики.
Не сложные и интересные опыты можно выполнить, используя доступные и не дорогие материалы.
Получение новых знаний в результате эксперимента с каплями жидкости
2) Провести опыты
3)Разработать инструкции для лабораторных работ
4)Создать электронное пособие: «Капля жидкости»
Обучающий комплекс – физическая лаборатория: «Капля жидкости» состоит из:
Прибор для создания капель жидкости
Набор для изучения явления смачивания и не смачивания
Наглядное пособие «Опыт Плато»
Разработки лабораторных работ
Электронное наглядное пособие
Целевые группы проекта
Ученики 7-10 классов
Планируемые результаты проекта
Применение проекта на факультативе в 7 «Н» классе
Место и время реализации проекта
20 февраля 2016 год
«Капля — это кусочек мира, в котором мы живём и который мы стремимся узнать» (Я. Гегузин)
О капле можно рассказать так . Это нужно видеть, когда на рассвете капля дождя, величественная и прекрасная, опускается на звучную крышу. Она летит оттуда, где всё клубится. Сонная, только что появившаяся на свет, эта капля летит, как зачарованная птица, с замирающим сердцем, робея взглянуть на мир и ожидая чуда.
Капля — небольшой объём жидкости, ограниченный поверхностью, определяемой преимущественно действием сил поверхностного натяжения, а не внешних сил.
Капля – маленькая частица какой-либо жидкости, принявшая округлую форму.
Капля – минимальное кол-во жидкости, принимающее округленную форму в следствие сцепления её частиц.
Форма капли определяется действием поверхностного натяжения и внешних сил (в первую очередь силы тяжести). Микроскопические капли, для которых сила тяжести не играет определяющей роли, имеют форму шара — тела с минимальной для данного объёма поверхностью (так как молекулы воды равномерно притягиваются друг другу). Крупные капли в атмосфере имеют шарообразную форму только при равенстве плотностей жидкости капли и окружающей её среды.
Падающие дождевые капли под действием силы тяжести, давления встречного потока воздуха и поверхностного натяжения принимают вытянутую форму.
Поверхностное натяжение , стремление вещества (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с др. фазой (поверхностная энергия)
Поверхностное натяжение заключается в следующем: на молекулы любой жидкости, находящиеся в поверхностном слое жидкости действуют силы притяжения других молекул, направлены внутрь жидкости. Для выхода молекулы из внутренних слоев в поверхностный слой необходимо совершение работы против действия молекулярных сил притяжения. В результате молекулы в поверхностном слое жидкости имеют большую энергию. Эта энергия называется свободной поверхностной энергии жидкости. Поверхностная энергия жидкости в состоянии равновесия стремиться к минимуму, а свободная поверхности жидкости стремиться к сокращению. Поэтому жидкость в отсутствии силы тяжести стремиться принять форму с наименьшей площадью поверхности, то есть форму шара. Форма капли, таким образом, определяется поверхностным натяжением и действием силы тяжести, которая её деформирует. Причём форма капли определяется действием внешних сил и сил поверхностного натяжения. В состоянии равновесия, когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости стремится принять такую форму, чтобы иметь минимальную площадь, а это — форма шара! Обычно шарообразную форму имеют микроскопические капли и капли, находящиеся в условиях невесомости. Причем в условиях невесомости любой объем жидкости принимает строго сферическую форму.
При соприкосновении жидкости с твердым телом наблюдается явление смачивания или несмачивания.
Явление смачивания и не смачивания.
Эти явления являются проявлением сил поверхностного натяжения. В обычных земных условиях на смачиваемых поверхностях капли обычно растекаются, потому что если жидкость смачивает твердое тело, то это значит, что молекулы жидкости притягиваются сильные друг к другу, чем к молекулам твердого тела, а на не смачиваемых принимают форму сплюснутых шаров, потому что, когда наблюдается несмачиваемость, то это означает, что молекулы жидкости притягивается сильнее друг к другу, чем к молекулам твердого тела.
Явление смачивания применяют при обогащении руд. Суть обогащения состоит в отделении пустой породы от полезных ископаемых. Этот способ носит название флотации (флотация – всплывание). Раздробленную в мелкий порошок руду взбалтывают в воде, в которую добавлено небольшое количество жидкости, смачивающей полезную руду, например масло. Вдувая в эту смесь воздух, можно отделить обе составляющие. Покрытые пленкой кусочки полезной руды, прилипая к пузырькам воздуха, поднимутся вверх, а порода осядет на дно.
Благодаря явлению смачивания, мы можем рисовать красками, писать чернилами на бумаге,мыть посуду, стирать бельё. А благодаря явлению не смачивания, мы ходим в плащах, смело топаем по лужам, если обувь обработана водоотталкивающим средством.
Подтверждением действия сил поверхностного натяжения является опыт Плато.
Впервые опыт был выполнен в 1849 г. под руководством бельгийского ученого Жозефа Плато. Нечаянно он налил в смесь спирта и воды небольшое количество масла, и оно приняло форму шара. Плато, пожалуй, следует считать пионером этой науки. Он первый, оставаясь приверженным Земле, поставил жидкость в условия невесомости, «отключив» тяготение для одной капли.
Истинная форма капли определяется суммой всех сил, которые на нее действуют, и поэтому задачи о форме капли в обычных условиях, как правило, очень сложны. Если капля лежит на твердой поверхности, то надо учесть и действие силы тяжести, которое будет каплю расплющивать, и действие собственного поверхностного натяжения, которое будет каплю сжимать, и действие поверхностного натяжения на границе капля — твердая поверхность, которое тоже в какой-то степени деформирует каплю. В опыте Плато действует только одна из перечисленных сил — сила, обусловленная собственным поверхностным натяжением, и капля принимает форму сферы, т. е. форму, которая при данном объёме отличается минимальной поверхностью. С помощью опыта Плато можно получить интересный эффект. Если пропустить через центр масляного шара проволоку и вращать её, то масляный шар начинает сплющиваться, а затем, через несколько секунд, от него отделяется кольцо из маленьких шарообразных капелек масла. В гигантских масштабах такое явление можно наблюдать у нашей звезды Солнца и планет-гигантов. Вращаются эти небесные тела вокруг своей оси очень быстро. В результате такого вращения тела очень сильно сжаты у полюсов.
Действие сил поверхностного натяжения, также используют в современных технологических устройствах.
Современная наука развивает с помощью капель нанотехнологию. Ученые лаборатории Белла в США, штат Нью-Джерси открыли способ управления поведением капель жидкости. Они изобрели наногазон.
Что же такое наногазон?
Это пластинка из кристаллов кремния, которая при большом увеличении напоминает аккуратно подстриженный газон. Он состоит из столбиков толщиной 200-300 нанометров, в тысячу раз тоньше, чем человеческий волос. У этого газона есть замечательное свойство: если на него поместить каплю жидкости, то она не будет растекаться, а останется шарообразной формы. Этот шарик может катиться по поверхности в любом направлении, которое нам нужно, но как только мы подадим на определенные “травинки” электрическое напряжение, то шарообразная капля начнет “протекать” в пространство между травинками. На одном таком микро устройстве можно создать целую химическую лабораторию. Внизу, у основания газона, ученые наносят различные реагенты. Далее они с помощью электрического импульса заставляют каплю просачиваться в тех местах, где нанесены реагенты, после чего начинают считывать с помощью оптических приборов результаты реакции. Это может быть изменение цвета или свечение. Таким образом, покатав по наногазону каплю человеческой крови, можно сделать ее полный биохимический анализ.
2.2 Практическая часть
«Изучение и наблюдение природы породило науку».
(Марк Туллий Цицерон)
Физика по-прежнему смотрит на каплю с интересом и интригой. В процессе работы мы рассмотрим образование капли, научимся определять её малую массу и объём, время её падения. Узнаем, как ведёт себя капля различных веществ на твёрдых поверхностях, поместим каплю в состояние невесомости в Земных условиях.
Объект исследования: капли жидкости
Предмет исследования: поведение капель жидкости в различных условиях
Методы исследования : наблюдение, эксперимент, анализ, обобщение.
1.Изготовление прибора, для рассматривания капель жидкости .
Необходимо взять две бутылки (0,5л), затем первую бутылку нужно разрезать на две части (нам нужна часть с дном). Вторая бутылка нам необходима как емкость для хранения воды. У второй бутылки заменяем простую крышку на капельник от моющего средства (т. к. её форма предназначена для зарождения капли). После замены крышки необходимо во вторую бутылку налить воды. Следующее действие мы берем обрезанную бутылку и бутылку с жидкостью внутри и вторую бутылку вставляем в первую. Прибор для получения капель готов.
Для лучшего наблюдения капель можно использовать насыщенный водный раствор соли.
Опыт№1 Наблюдение за образованием капли: капля растет, образуется сужение – шейка и капля отрывается. Объяснение : вода как бы заключена в эластичный мешочек, и когда его прочность становится недостаточной для удержания большой массы воды, он разрывается. Эластичный мешочек – это поверхностный слой воды. Когда сила поверхностного натяжения становится меньше гравитационной силы, капля отрывается и падает.
2)Опыт №2 : « Определение массы капли воды и промежутка времени падения капли воды»
Цель работы : научиться измерять малые величины на примере определения массы и промежутка времени падения капли воды.
Приборы и материалы: Прибор для получения капель жидкости, сосуд известного объема (стакан с делениями, мерная посуда, банка или бутылка известного объема), вода, секундомер.
1.Возьмите сосуд известного объема (стакан с делениями, мерную посуду, банку или бутылку известного объема). Узнать, какую массу воды вмещает этот сосуд в граммах. Масса воды в сосуде – m1.
2.Накапайте воду в сосуд до заполнения его объёма, считая капли. Число капель — n .
3.Измерьте время, потраченное на заполнение сосуда. Время заполнения сосуда – t2 .
4. Рассчитайте массу m2 одной капли формуле m2 = m1/n в граммах.
5. Рассчитайте промежуток времени tо в секундах падения одной капли воды по формуле t2= t1/n
Источник
