Почему капля жидкости стремится иметь форму шара. Какую форму имеет капля воды

"Необычные проявления свойств воды в невесомости", БК "ПОИСК" , рассказать друзьям: Май 21st, 2017

Казалось бы, что может быть проще капли? А оказывается, этот физический объект имеет массу секретов.

Какая форма у капли?

Очень часто падающие капли изображают следующим образом:

Это изображение не верно . На самом деле, во время падения, капля пребывает в состоянии невесомости, и силы поверхностного натяжения придают ей сферическую форму. Не стоит забывать, что вода имеет достаточный коэффициент поверхностного натяжения:

σ= 72,86·10 -3 Н/м

Представление, будто бы капля имеет вытянутый заостренный кончик связано с тем, что человек способен различать ее очертания только в процессе ее образования. Падает же капля быстро, и человек не в состоянии определить ее форму:

Однако, кроме сил поверхностного натяжения, могут действовать и другие силы, которые тоже повлияют на форму капли. Вот что об этом написано в Википедии :

Форма капли определяется совокупным действием поверхностного натяжения и других внешних сил (в первую очередь силы тяжести, а при высоких скоростях - аэродинамическими силами). Микроскопические капли, для которых сила тяжести не играет определяющей роли, имеют форму шара - тела с минимальной для данного объёма поверхностью. Крупные капли в земных условиях 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. На несмачиваемых поверхностях капли приобретают форму приплюснутого шара.

Не стоит забывать, что в капле могут происходить колебания, в результате которых по ее поверхности будут распространятся волны. Подробнее об этом и не только предлагаю посмотреть ролик снятый в МКС , в условиях полной невесомости астронавт Дон Петтит экспериментирует с каплей (водяным пузырем) 130 мм в диаметре!:

Агрегатные и фазовые состояния вещества. При рассмотрении особенностей поведения вещества в космических условиях часто используются такие понятия, как агрегатное и фазовое состояния, фаза и компоненты. Дадим определение этих понятий.

Агрегатные состояния вещества различаются по характеру теплового движения молекул или атомов. Обычно говорят о трех агрегатных состояниях - газообразном, твердом и жидком. В газах молекулы почти не связаны силами притяжения и движутся свободно, заполняя весь сосуд. Структура кристаллических твердых тел характеризуется высокой упорядоченностью - атомы расположены в узлах кристаллической решетки, возле которых они совершают лишь тепловые колебания. В результате кристаллические тела имеют строго ограниченную форму, а при попытке каким-то образом изменить ее возникают значительные упругие силы, противодействующие такому изменению.

Наряду с кристаллами известна и другая разновидность твердых тел - аморфные тела. Главная особенность внутреннего строения аморфных твердых тел - отсутствие полной упорядоченности: лишь в расположении соседних атомов соблюдается порядок, который сменяется хаотическим расположением их друг относительно друга на более значительных расстояниях. Наиболее важный пример аморфного состояния - это стекло.

Тем же самым свойством - ближнего порядка в расположении соседних атомов - обладает вещество в жидком агрегатном состоянии. По этой причине изменение объема жидкости не вызывает в ней возникновения значительных упругих сил, и в обычных условиях жидкость принимает форму сосуда, в котором она находится.

Если вещество состоит из нескольких компонентов (химических элементов или соединений), то его свойства зависят от относительной концентрации этих компонентов, а также от температуры, давления и других параметров. Для характеристики конечного продукта, образующегося при таком комбинировании компонентов, используется понятие фазы. Если рассматриваемое вещество состоит из граничащих друг с другом однородных частей, физические или химические свойства которых различны, то такие части называются фазами. Например, смесь льда и воды представляет собой двухфазную систему, а вода, в которой растворен воздух, - однофазную, потому что в этом случае отсутствует граница раздела между компонентами.

Фазовое состояние - понятие, основанное на структурном представлении термина «фаза». Фазовое состояние вещества определяется только характером взаимного расположения атомов или молекул, а не их относительным движением. Наличие дальнего порядка (полная упорядоченность) соответствует кристаллическому фазовому состоянию, ближнего порядка - аморфному фазовому состоянию, полное отсутствие порядка - газообразному фазовому состоянию.

Фазовое состояние не обязательно совпадает с агрегатным. Например, аморфному фазовому состоянию соответствует обычное жидкое агрегатное состояние и твердое стеклообразное состояние. Твердому агрегатному состоянию соответствуют два фазовых - кристаллическое и аморфное (стеклообразное).

Рис. 2. Диаграмма р-Т равновесия однокомпонентной системы

Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом, или превращением. Если две или больше различных фаз вещества при данных температуре и давлении существуют одновременно, соприкасаясь друг с другом, то говорят о фазовом равновесии. На рис. 2 в качестве примера приведена диаграмма фазового равновесия однокомпонентной системы, построенная в координатах давление (р ) - температура (T ). Здесь изобара (т. е. прямая постоянного давления) а-а соответствует прямым переходам твердое тело - жидкость (плавление и затвердевание) и жидкость - газ (испарение и конденсация), изобара с-с - переходу твердое тело - газ (сублимация), а изобара в-в - сосуществованию всех трех фаз в так называемой тройной точке, при определенных значениях р и Т .

Влияние невесомости на жидкость. Как влияет тяготение на поведение вещества в различных агрегатных состояниях? В твердых телах атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке, и сила тяготения не может оказать существенного влияния на процессы, происходящие в этом состоянии.

На процессы в газах эта сила может повлиять более значительно. Известно, например, что в условиях неравномерного нагревания различных слоев газа в атмосфере возникает под действием силы тяготения свободная конвекция, т. е. упорядоченный обмен газа между этими слоями. В условиях невесомости этот эффект может не возникнуть.

Но особенно сильное воздействие сила тяготения оказывает на жидкость. При переходе к невесомости в жидкости исчезает сила Архимеда, действующая на компоненты разной плотности и приводящая к их разделению, изменяется характер конвекционных течений, возрастает относительная роль межмолекулярных взаимодействий в жидкости и становится возможным ее свободное удержание вне сосуда (явление левитации). Рассмотрим по этим причинам подробнее процессы, происходящие в жидкости.

Как и в газе, в жидкости молекулы не сохраняют постоянного положения, а за счет тепловой энергии перемещаются с места на место. Если в каком-либо месте жидкости преобладают частицы одного сорта, то за счет более частых столкновений между собой они постепенно переходят в зону, где их концентрация меньше. Этот процесс называется диффузией. Вследствие диффузии за время t происходит смещение частиц на расстояние х = (2Dt ) 1/2 , где D - коэффициент диффузии. Если рассматривать частицы как сферы с радиусом r , то D = W · (??r ) –1 . Здесь W - тепловая энергия частиц, ? - вязкость жидкости, которая сильно зависит от ее температуры. Когда жидкость охлаждается, то вязкость возрастает и соответственно замедляются процессы диффузии.

Если изменение концентрации частиц одного сорта на расстоянии ? x внутри жидкости равно ? с , то через единичную площадку в 1 с должно проходить число частиц I = - D ? c /? x .

Жидкость может содержать несколько компонентов одновременно. Если содержание одного из компонентов мало, то такой компонент рассматривают как примесь. Если в начальный момент примесь распределена в жидкости неравномерно, то диффузионные процессы в жидкости ведут к установлению однородного распределения (гомогенизация).

В некоторых случаях жидкость может содержать компоненты разной плотности. На Земле под действием силы Архимеда постепенно происходит разделение этих компонентов (например, из молока образуются сливки и обрат). В невесомости этого разделения нет, и после затвердевания таких жидкостей могут быть получены вещества с уникальными свойствами. Жидкость может также содержать фазы, которые не смешиваются между собой, например, керосин и воду. На Земле между ними образуются четкие границы раздела. В невесомости путем перемешивания можно получить устойчивую смесь, состоящую из мелких капель той и другой фаз. После затвердевания из подобных смесей разных фаз можно получить однородные композиционные материалы, пенометаллы и т. п.

Возникновение границ раздела между различными фазами в жидкости связано с наличием силы поверхностного натяжения, или капиллярной силы, которая возникает из-за взаимодействия между молекулами жидкости. Поверхностное натяжение можно уподобить силе, которая возвращает в исходное состояние струну, когда музыкант пробует оттянуть ее в сторону. Именно сила поверхностного натяжения приводит к тому, что из плохо закрытого крана падают капли, а не льется тоненькая струйка воды. Но на Земле эти капли невелики: сила тяжести много больше сил поверхностного натяжения и разрывает на части слишком крупные из них. В невесомости ничто не может препятствовать образованию весьма крупных капель, и жидкое тело, предоставленное само себе, будет принимать сферическую форму.

В действительности на борту космического аппарата из-за различного рода малых ускорений состояние невесомости нарушается. Если r - радиус сферы, форму которой принимает жидкость, то действующая на нее капиллярная сила приблизительно равна?r , где? - коэффициент поверхностного натяжения. Величина инерционных массовых сил, действующих на жидкость, равна?gr 3 , где? - плотность жидкости, g - малое ускорение. Очевидно, эффекты поверхностного натяжения будут играть главную роль, когда? · (?gr 2) –1 > 1. Этим условием определяется возможность получения в состоянии, близком к невесомости, жидких сфер с радиусом r . Такие жидкие сферы на борту космических аппаратов могут находиться в свободно плавающем состоянии, когда для их удержания не нужны сосуды. Если это жидкий расплав, то при его затвердевании на Земле со стенок сосуда поступают вредные примеси. В космосе можно обойтись без сосуда и, следовательно, получать более чистые вещества.

Тепло- и массообмен в невесомости. Существенное влияние переход к невесомости оказывает также на процессы тепло- и массобмена в жидкостях и газах. Перенос тепла может осуществляться теплопроводностью, конвекцией или излучением, а также любым сочетанием этих механизмов. Теплопроводность - это процесс переноса тепла из зоны с более высокой температурой в зону, где температура ниже, путем диффузии молекул среды между этими зонами. По этой причине коэффициент теплопроводности пропорционален коэффициенту диффузии.

Теплообмен излучением характерен главным образом для твердых и жидких тел и происходит при достаточно высоких температурах. Процессы лучистого теплообмена и теплопроводности не зависят ни от силы тяжести, ни от малых массовых сил, действующих на борту космических аппаратов.

Иное дело конвективный теплообмен. Конвекция - это перенос тепла в жидкой или газообразной среде путем макроскопического перемещения вещества этой среды. Выше уже приводился простейший пример конвекции - свободная (или естественная) конвекция, возникающая вследствие неравномерного распределения температуры в среде, подверженной действию массовых сил (например, силы тяжести или инерционных сил, вызванных малыми ускорениями на борту космического аппарата). Это явление каждый может легко наблюдать у себя дома в любых кипятильниках, когда слои жидкости, имеющие более высокую температуру и вследствие этого более низкую плотность, будут всплывать вверх и переносить с собой теплоту, а на их место, на горячее дно кипятильника, будут опускаться более холодные и плотные слои.

Относительная роль теплообмена за счет свободной конвекции и теплопроводности определяется числом Рэлея:

Здесь g - действующее на систему ускорение, L - характерный размер системы, ? - коэффициент объемного расширения, ? T - перепад температуры в среде, ? - коэффициент теплопроводности, ? - вязкость среды. Отсюда следует, что в условиях, приближающихся к невесомости (g > 0), Ra > 0, и, следовательно, ролью конвекции, ведущей к эффективному перемешиванию среды, можно пренебречь.

Этот вывод имеет двоякое значение. Во-первых, уменьшается вклад конвекции в процессы теплообмена, и передача тепла осуществляется более медленным процессом теплопроводности. Во-вторых, исключение конвекционных токов в среде приводит к тому, что основную роль в массообмене будут играть не макроскопические перемещения вещества, а процессы диффузии. А это, в свою очередь, открывает возможность получения веществ, распределение примесей в которых будет значительно более однородным, чем на Земле.

Кроме свободной конвекции, существует целый ряд Других конвекционных эффектов, одна часть которых зависит от массовых сил, а другая нет. Известна также вынужденная конвекция, которая происходит под действием какого-либо внешнего фактора (например, мешалки, насоса и т. п.). В космических условиях этот вид конвекции используют, чтобы обеспечить нужную скорость отвода тепла от работающих агрегатов.

В качестве примера конвекции, не зависящей от массовых сил, укажем термокапиллярную конвекцию, которая выражается в том, что на границе жидкой фазы могут возникать и распространяться волны. Капиллярные волны обусловлены перепадами температуры, из-за наличия которых величина коэффициента поверхностного натяжения непостоянна вдоль поверхности. Этот тип конвекционного течения, очевидно, не зависит от величины g и может приводить к ухудшению однородности материалов, полученных в космических условиях. Способ компенсации вредных последствий этого эффекта состоит в уменьшении фактических перепадов температуры вдоль поверхности раздела фаз.

Мы привыкли к мысли о том, что капля имеет форму шара. На самом деле она почти никогда не является шаром, хотя эта форма обеспечивает наименьший объем.

Капля, покоящаяся на горизонтальной поверхности сплющена. Сложную форму имеет падающая в воздухе капля. И только капля, находящаяся в состоянии невесомости принимает сферическую форму.

В Большой Советской энциклопедии приведены мгновенные фотографии падающих капель дождя. В частности, капля диаметром 6 мм имеет форму, близкую к форме шляпки гриба; капли меньшего диаметра имеют форму, близкую к шару.

Образование капли может быть описано тремя характерными состояниями. Состояние А соответствует началу образования капли: поверхность жидкости у конца трубки горизонтальна, радиус её кривизны очень велик, силы поверхностного натяжения направлены перпендикулярно стенке трубки и не препятствуют вытеканию жидкости. Через короткое время капля переходит в состояние Б, которое характеризуется наибольшей лапласовской силой, которая замедляет скорость образования капли, а следовательно, и скорость вытекания. В этом состоянии радиус кривизны поверхности r. Затем объём капли увеличивается, она переходит в состояние В, которое характеризует основной этап формирования капли: лапласовская сила велика, но меньше, чем в состоянии Б, и в дальнейшем ещё убывает с увеличением радиуса капли; время накопления необходимой для отрыва массы велико по сравнению со временем перехода из состояния А в состояние Б, скорость вытекания ещё уменьшается.

Радиус капли

Падение капли дождя, в силу относительности механического движения, можно, в первом приближении, заменить парением капли в восходящем потоке воздуха.

Мы повторили эксперимент, описанный в журнале. Капли помещали в воздушную струю посредством медицинского шприца. Для этого конец иглы помещали в струю воздуха, и, медленно выдавливая из шприца воду, получали капли различного объема. Капли, за счет смачивания, могут некоторое время удерживаться на игле. В этот момент уже можно хорошо пронаблюдать форму капель. Спустя некоторое время капля срывается с кончика иглы и на несколько секунд зависает в воздухе. Это время оказывается достаточным для того, чтобы рассмотреть формы капель различного размера или сфотографировать их.

В ходе проведенного исследования выяснилось, что капли малого диаметра действительно имеют форму, близкую к шару, а капли большего диаметра - форму, напоминающую шляпку гриба.

Наблюдение распада капли в кольцо и взаимодействия колец

Мы решили провести наблюдение распада капли в кольцо, чтобы удостовериться в справедливости представленных авторами данных о поведении капли чернил на поверхности и внутри воды. При проведении эксперимента нами зафиксировано, что более плотная жидкость стремится вниз по законам, которые описываются неустойчивостью Рэлея-Тейлора, с образованием вихрей.

Для этого мы использовали прозрачный стеклянный сосуд, который наполняли водой. Подбирали капилляры различных диаметров и, получали тем самым, капли различных радиусов.

Характер поведения чернильной капли зависит от нескольких параметров: если жидкость имеет высокую плотность, например, раствор поваренной соли, или капля падает с большой высоты и ударяется о поверхность жидкости с большой скоростью, то она разбивается на части и глубоко в жидкость не проникает. Но если плотность жидкости немного меньше, чем у чернил, и капля падает с высоты в несколько сантиметров, то с ней происходят интересные превращения.

Если осторожно поднести каплю чернил к самой поверхности и коснуться ее, то капля будет моментально втянута в воду и начнет с большой скоростью двигаться вниз. Эту скорость капля приобретает под действием взаимного притяжения молекул жидкости. Возникающие при этом силы называются силами поверхностного натяжения потому, что они всегда стремятся уменьшить свободную поверхность жидкости, втягивая ее внутрь и выравнивая любую неровность на ней.

Сначала чернильная капля с большой скоростью погружается в воду, но затем движение ее замедляется. Причиной такого движения является архимедова сила, почти уравновешивающая силу тяжести, и сила трения между каплей и неподвижной водой. Поскольку сила трения действует лишь на внешнюю поверхность капли, то, пройдя несколько сантиметров, капля превращается во вращающееся кольцо.

Механизм образования вихревого кольца довольно прост: боковая поверхность капли тормозится о неподвижную воду и начинает отставать от внутренней части. Место провалившейся серединки занимает чистая вода.

Кольцо недолго остается идеально круглым: его вращение замедляется, и на нем появляются вздутия и впадины. Это явление называется неустойчивостью Рэлея - Тейлора, которое заключается в том, что слой тяжелой жидкости, лежащий на слое более легкой жидкости, может пребывать в равновесии, но равновесие это будет неустойчивым. Стоит поверхности раздела жидкостей немного искривиться, как тяжелая жидкость устремится во впадины, а легкая начнет всплывать, усиливая вздутия. Это совершенно естественно: жидкости стремятся занять положение устойчивого равновесия, когда легкая находится наверху, а тяжелая - внизу.

Движение струи в неподвижной жидкости во многом напоминает движение отдельной капли: под действием вязких сил, на конце струи опять - таки образуется вихревое кольцо, которое через несколько секунд под - действием рэлей-тейлоровской неустойчивости само породит 2-3 струи. Такой процесс «почкования» повторяется несколько раз, пока чернила не достигнут дна банки, оставляя за собой след.

При изучении взаимодействия вихревых колец, в тот момент, когда они оказываются на одной высоте, то начинают взаимодействовать друг с другом. Возможны три случая.

Первый случай – второе кольцо обгоняет первое, не задевая его. При этом происходит следующее. Во-первых, потоки воды от обоих колец как бы отталкивают кольца друг от друга. Во-вторых, обнаруживается переток чернил с первого кольца на второе: водяные потоки второго кольца более интенсивны, они и увлекают чернила за собой. Иногда часть этих чернил проходит через второе кольцо, что влечет за собой образование нового небольшого кольца. Затем кольца начинают делиться, дальше ничего интересного нам заметить не удалось.

Второй случай – второе кольцо при обгоне задевает первое. В результате более интенсивные потоки второго кольца разрушают первое. Как правило, из оставшегося от первого кольца сгустка чернил образуются новые маленькие вихри.

Третий случай - кольца испытывают центральное соударение. При этом второе кольцо проходит через первое и уменьшается в размерах, а первое, наоборот, расширяется. Как и в предыдущих случаях, это происходит за счет взаимного действия водяных потоков одного кольца на другое. В дальнейшем кольца начинают делиться.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

на тему: Физика жидкости в условиях невесомости

Введение

О роли силы поверхностного натяжения в условиях невесомости.

В обычных земных условиях, на любую жидкость, налитую в сосуд действует несколько сил. В результате воздействия силы тяжести, она постоянно находится на дне сосуда, в который налита. Так же имеют место силы поверхностного натяжения жидкости, которые постоянно стремятся уменьшить площадь поверхности жидкости.

Поверхностным натяжением называется сила, испытываемая молекулами жидкости на поверхности (сильнее всего на границе газ - жидкость) и направленная в глубину объема жидкости. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку.

Именно благодаря этой силе даже игла может плавать на поверхности воды. Именно благодаря силе поверхностного натяжения, струя воды "слипается" в цилиндр. В земных условиях силы поверхностного натяжения малы по сравнению и действие этих сил не всегда заметно.

Теперь, представим себе, что мы находимся в кабине космического корабля, в невесомости. Все объекты плавают по кабине нашего космического корабля. Мы знаем, что сила тяжести продолжает воздействовать на все объекты вокруг, ведь полёт космического корабля - это постоянное падение под её воздействием. И тела внутри корабля и сам корабль падают с одинаковым ускорением, поэтому тела не воздействуют на свою опору, то есть, не имеют веса. Действие силы тяжести как будто бы не проявляется. невесомость жидкость капиллярность кипение

И тут, главную роль начинают играть силы поверхностного натяжения.

1. Форма поверхности жидкости в условиях невесомости

Если выплеснуть жидкость из сосуда, она не польётся на пол (невесомость же), а будет плавать по кабине корабля. Не просто плавать, а плавать, собравшись в шар и, чтобы его разрушить, нужны немалые усилия.

Почему так происходит? Всё дело в том, что силы поверхностного натяжения всегда стремятся уменьшить площадь поверхности жидкости. А шар примечателен тем, что из всех геометрических тел при равном объёме он обладает минимальной площадью поверхности. также форма шара - это уровень низшей потенциальной энергии, все тела "рвутся" к такому состоянию. Сила поверхностного натяжения жидкости "стягивает" ее в такую форму. В условиях невесомости любой объем жидкости может принять строго сферическую форму!!! В земных условиях шарообразную форму имеют микроскопические капли. Крупные капли могут принять форму шара только в том случае, когда плотности жидкости и окружающей ее среды одинаковы. В стакан с водой с помощью шприца будем очень аккуратно и осторожно приливать спирт, чтобы жидкости не перемешались. Затем в спирт вольем чайную ложечку растительного масла. И вот словно в кабине космического корабля масло собралось в шарики! Они как бы парят на границе раздела масла и воды.

Впервые подобный опыт в 1863 году поставил бельгийский физик Жозеф Плато. Бельгийский ученый также провел эксперименты по вращению капли и наблюдению за происходящими с ней в результате этого метаморфозами. Плато удалось установить, что, по мере возрастания скорости вращения, капля меняла свою форму с шарообразной на овальную. И, наконец, при очень большой скорости вращения капля становилась тором.

Физики из Ноттингемского университета провели ряд экспериментов по определению формы водяных капель, подвешенных в пространстве с помощью диамагнитной левитации. Было показано, что при определенных условиях капли в равновесии могут принимать не только шарообразную или овальную форму, но также треугольную, четырех- и даже пятиугольную. Результаты исследований могут быть использованы для объяснения структур астрономических объектов (черные дыры, пояс Койпера и других).

2. Смачиваемость и капиллярность в невесомости

А как поведет себя капля жидкости на твердой поверхности? Наверно, каждый из вас замечал, что после дождя на окне видны капли. С точки зрения физики граница, по которой капля соприкасается с поверхностью твердого тела, называется поверхностью раздела фаз - жидкой и твердой. Угол между поверхностью капли и твердой поверхностью называется углом смачивания. Если этот угол меньше 90? и капля растекается по поверхности, то говорят, что жидкость хорошо смачивает поверхность. Если этот угол больше 90?, то капля стягивается в сплющенный, под давлением собственного веса, водяной шарик, не смачивая поверхность твердого тела.

В земных условиях вода, смачивая поверхность обезжиренного стекла, растекается по всей его поверхности. Это происходит потому, что силы притяжения между молекулами воды оказываются меньше, чем силы притяжения между молекулами воды и стекла.

В невесомости водяной шарик целиком не растекается по стеклу. Силы поверхностного натяжения стараются сохранить форму капли, не давая ей стекать со стеклянной пластинки. Из-за того, что вода не растекается, космонавты могут мыть голову, не снимая одежды, правда при этом воду и шампунь им приходится втирать в волосы с помощью тампона.

Силы поверхностного натяжения заставляют смачивающую жидкость подниматься по узким трубочкам - капиллярам, но для этого диаметр трубочки должен быть мал. Чем тоньше трубочка, тем на большую высоту поднимется жидкость по капилляру. А вот в условиях невесомости можно заставить жидкость за счет сил поверхностного натяжения подниматься туда, где просто уже - такого на Земле не увидишь никогда!

Известно, что в земных условиях, жирная поверхность, например поверхность пластилина, плохо смачивается, и капли воды не задерживаются на его поверхности, ведь силы притяжения между молекулами воды в этом случае больше, чем между молекулами воды и пластилина. Но в невесомости достаточно даже небольшого эффекта смачивания для того, чтобы водяной и пластилиновый шарик сцепились, а при большом желании и упорстве можно постараться шарик из пластилина даже закутать в водяную одежду. Как мы видим, малые по сравнению с силой тяжести силы поверхностного натяжения в условиях невесомости оказываются очень значимыми.

3. Как пить в космосе

Отсутствие в жидкости сил давления, зависящих от глубины погружения, приводит к тому, что в невесомости жидкость в сообщающихся сосудах не должна находиться на одинаковых уровнях, поэтому жидкость не будет выливаться из носика чайника, из горлышка бутылки и т.д. Жидкость из сосудов приходится либо выдавливать, либо выталкивать при помощи поршня.

Когда космонавта Александра Сереброва спросили о физических явлениях, связанных с невесомостью, он рассказал о необычности того, к чему каждый из нас привык в повседневной жизни. На Земле, чтобы налить воду в бутылку, подставляют горлышко под струю. В космосе в условиях невесомости жидкость не будет накапливаться на дне сосуда, она будет «плавать» внутри бутылки в виде шаровых капель разного размера. Заполнение сосуда водой вызовет вытеснение из него воздуха, но вместе с воздухом из сосуда будут «выплывать» взвешенные в нем капли воды. Если же струю с маленькой скоростью направить сразу на стенку сосуда, то вода, смачивая стенку, будет прилипать к ней. Взвешенных капель не будет (по крайней мере, до тех пор, пока сосуд не встряхивают). Чтобы достать воду, бутылку необходимо либо встряхивать, либо раскрутить так, чтобы жидкость прижалась к ее стенкам, либо использовать шприц.

Александр Серебров применил свой способ, помещая внутрь сосуда длинный и узкий предмет, например, черенок ложки, к которому капли прилипают за счет сил поверхностного натяжения. Жидкость «расползается» по черенку и подходит к краю горловины сосуда.

Капилярные эффекты позволяют здесь жидкости течь, скажем, вдоль линии сближения двух твердых поверхностей, сходящихся под достаточно узким углом. На Земле это явление проявляется слишком слабо, и даже исследовать его нелегко, однако в космических полетах может пригодиться. Пользуясь полученными в экспериментах данными, Вайслогелю с коллегами удалось разработать и запатентовать несколько устройств для управления жидкостями в условиях микрогравитации -- теплообменный конденсатор, сепаратор и кофейную чашку. С последним изобретением Вайслогелю помогли астронавт Доналд Петтит и два математика, работавших над теоретической частью исследований. «Космическая чашка» работает на базе тех же капиллярных явлений: вместо керамического цилиндра она представляет собой пластиковый лист, сложенный так, что концы его сходятся под острым углом. Это создает линию, где напиток удерживается и вдоль которой двигается прямо в рот.

Главное отличие изобретения - его форма. Так, в разрезе оно напоминает каплю.

Сообщается, что именно благодаря наличию у этой чашки острого ребра из нее можно пить в невесомости.

По словам создателя, похожая технология используется при создании топливных баков для космических аппаратов, летающих в невесомости.

В основе работы чашки лежит смачивание. На Земле оно отвечает за промокание, растекание жидкости по поверхности, а также за ее движение по капиллярам.

В невесомости этот эффект позволяет кофе оставаться в чашке, а не улетать в свободный полет при малейшем шевелении сосуда, но лишь при правильном подборе материала чашки и количества жидкости. Однако при этом кофе невозможно пить, поскольку если в обычных условиях при наклоне сосуда жидкость начинает течь под воздействием силы тяжести, то в невесомости этого не происходит.

Именно для решения этой проблемы у чашки имеется угол. Как показывает теория, если его величина меньше некоторого значения, которое зависит от жидкости и материала, то в результате смачивания жидкость сама "поползет" по желобу вверх к потребителю.

4. Кипение воды в невесомости

А вот будет ли действовать в невесомости выталкивающая или Архимедова сила? Вспомним, что ее происхождение связано с разностью весовых давлений жидкости или газа на верхнюю и нижнюю поверхности тела. В результате того, что давление снизу оказывается больше, возникает выталкивающая сила, направленная против силы тяготения и равная по величине весу вытесненной жидкости или газа. Но в космосе нет веса, а значит, и нет выталкивающей силы, она в невесомости не действует. Это сказывается на процессах в жидкости, содержащей пузырьки пара или газа.

Еще несколько лет назад никто не знал, что представляет собой процесс кипения в космосе. Конечно, физики ломали голову, анализируя сложный характер кипения здесь, на Земле. Про космос же только предполагали, что зрелище будет еще более захватывающее.

В начале 90-х годов группа ученых из университета Мичигана и НАСА решила заняться изучением этого вопроса.

Несмотря на всю зрелищность экспериментов, учеными двигало не просто любопытство. Поняв, как кипит жидкость в космосе, можно создать более совершенную систему охлаждения для космического корабля. Эти знания можно применить и для разработки электрогенераторов, использующих их солнечный свет для подогрева воды до состояния пара, которая затем бы вращала турбину, вырабатывая электричество. Это исследование может найти применение и на Земле - полученные данные можно использовать для лучшего изучения феномена кипения, что позволит усовершенствовать и земные электростанции.

Вообще-то на орбите кипение представляет собой более простой процесс, чем на Земле. Нагретая жидкость не поднимается, а остается рядом с нагревающей поверхностью и нагревается дальше. Те области жидкости, которые находятся на некотором расстоянии от источника тепла, остаются относительно холодными. Поскольку нагревается меньший объем воды, процесс происходит быстрее. По мере формирования пузырьков пара, они не поднимаются на поверхность, а объединяются в гигантский пузырь, который колеблется в жидкости.

В зависимости от температуры пузырь пара или оказывается в центре жидкости, или остается "прикрепленным" к источнику нагревания. Когда пузырь остается у источника тепла, он эффективно изолирует его от окружающей жидкости, вызывая дальнейшее повышение температуры. Сегодня исследователи продолжают расширять знания, основываясь на данных этих экспериментов. Лучше познав физику кипящей жидкости, инженеры смогут улучшить системы охлаждения и электроснабжения, которые очень пригодятся людям в будущем - как в космосе, так и на Земле.

Заключение

Краткое сравнение свойств жидкости на Земле и в невесомости.

Итак, жидкости ведут себя в невесомости совсем не так, как на Земле.

· На Земле: поведение жидкостей в большей степени определяется действием силы тяжести. В космосе: жидкостями управляет сила поверхностного натяжения.

· На Земле: можно легко разделить капельку жидкости шарообразной формы. В космосе: для этого придется приложить немалые усилия.

· На Земле: несмачиваемые жидкости не смачивают поверхность. В космосе: достаточно небольшого прикосновения несмачиваемой жидкости для того, чтобы смочить поверхность

· На Земле: если встряхнуть бутылку с какой-либо жидкостью, то она (жидкость) вернется в исходное состояние. В космосе: водяные шарики могут вести себя как "упругие мячики", неоднократно отскакивая от той же жидкости, из которой они изготовлены.

· Из-за отсутствия в невесомости Архимедовой силы и естественной конвекции по-другому кипят жидкости, намного медленнее замерзает капля воды.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Сила поверхностного натяжения, это сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности. Действие сил поверхностного натяжения. Метод проволочной рамки. Роль и проявления поверхностного натяжения в жизни.

реферат , добавлен 23.04.2009


Исследование зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры, природы граничащей среды и растворенных в жидкости примесей. Повышение давления газов над жидкими углеводородами и топливом. Расчет поверхностного натяжения системы "жидкость-пар".

реферат , добавлен 31.03.2015


Сущность и характерные особенности поверхностного натяжения жидкости. Теоретическое обоснование различных методов измерения коэффициента поверхностного натяжения по методу отрыва капель. Описание устройства, принцип действия и назначение сталагмометра.

реферат , добавлен 06.03.2010


История возникновения баллистического движения. Баллистика как наука. История открытия закона всемирного тяготения. Применение баллистики на практике. Траектория полета снаряда, баллистической ракеты. Перегрузки, испытываемые космонавтами в невесомости.

реферат , добавлен 27.05.2010


Основное свойство жидкости: изменение формы под действием механического воздействия. Идеальные и реальные жидкости. Понятие ньютоновских жидкостей. Методика определения свойств жидкости. Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение.

лабораторная работа , добавлен 07.12.2010


Понятие кипения как интенсивного парообразования при нагревании жидкости. Поглощение теплоты при кипении, расчет ее количества, необходимого для перевода жидкости в пар. Удельная теплота парообразования. Непрерывное образование и рост пузырьков пара.

презентация , добавлен 26.11.2012


Определение веса находящейся в баке жидкости. Расход жидкости, нагнетаемой гидравлическим насосом в бак. Вязкость жидкости, при которой начнется открытие клапана. Зависимость расхода жидкости и избыточного давления в начальном сечении трубы от напора.

контрольная работа , добавлен 01.12.2013


Определение силы гидростатического давления жидкости на плоские и криволинейные поверхности, в закрытом резервуаре. Специфические черты гидравлического расчета трубопроводов. Определение необходимого давления рабочей жидкости в цилиндре и ее подачу.

контрольная работа , добавлен 26.10.2011


Виды вещества. Реакция твердого тела, газа и жидкости на действие сил. Силы, действующие в жидкостях. Основное уравнение гидростатики. Дифференциальное уравнение равновесия жидкости. Определение силы давления столба жидкости на плоскую поверхность.

презентация , добавлен 28.12.2013


Механика жидкостей, физическое обоснование их главных свойств и характеристик в различных условиях, принцип движения. Уравнение Бернулли. Механизм истечения жидкости из отверстий и насадков и методика определения коэффициентов скорости истечения.