Снимката в публикацията беше от тук - много интересна научна статия за това каква форма приема водата при нулева гравитация...

Ориз. 1. Диаграма на стабилността на формите на капките. Безразмерната ъглова скорост на въртене се нанася по вертикалната ос (ординатната ос), а безразмерният ъглов момент на въртене на капката течност се нанася по хоризонталната ос (абсцисната ос). . Ориз. от physics.aps.org

TOP е форма на вода...

Физици от университета в Нотингам проведоха серия от експерименти, за да определят формата на водните капчици, окачени в космоса, използвайки диамагнитна левитация. Доказано е, че при определени условия капките в равновесие могат да приемат не само сферична или овална форма, но и триъгълна, четириъгълна и дори петоъгълна. Резултатите от изследването могат да се използват както за обяснение на структурите на астрономически обекти (черни дупки, пояса на Кайпер), така и за описание на бързо въртящи се атомни ядра.

Какво капка течност при липса на гравитация има формата на топка, изглежда очевидно, но този факт е експериментално потвърден едва през 1863 г. от белгийския физик Джоузеф Плато, който отдавна е бил сляп по това време, след като веднъж се е взирал в обедното слънце за 25 секунди, без да спира. За да го докаже, той постави капка зехтин в смес от вода и алкохол, която имаше същата плътност като маслото. Като балансира силата на гравитацията, действаща върху капката, с Архимедовата (плаваща) сила, ученият постига състояние на безтегловност за капката. В резултат на подобни манипулации капката придобила сферична форма. Белгийският учен също така провежда експерименти за въртене на капка и наблюдение на метаморфозите, които се случват с нея в резултат на това. Платон успя да установи, че С увеличаване на скоростта на въртене на зехтина, капката промени формата си от сферична на овална и след това се трансформира в двуустна структура, наподобяваща силно издължен овал. И накрая, при много висока скорост на въртене, капката се превърна в тор. Схематично промяната във формата на капка с увеличаване на скоростта на въртене на течността в нея е показана на фиг. 1.

Ориз. 1. Диаграма на стабилността на формите на капките. Безразмерната ъглова скорост на въртене се нанася по вертикалната ос (ординатната ос), а безразмерният ъглов момент на въртене на капката течност се нанася по хоризонталната ос (абсцисната ос).Плътната линия в диаграмата съответства на стабилна форма на капка, пунктираната линия на нестабилна структура.. Ориз. от physics.aps.org

За съжаление, експериментите на Плато не бяха перфектни поради една проста причина. Околната среда, която заобикаляше изследвания обект в неговите експерименти, поради силите на вискозитета, има нежелан допълнителен ефект върху формата на капката. Следователно резултатите от изследванията на белгийския физик са само качествени. И в продължение на 150 години след експериментите на белгиеца, основната пречка за количественото описание на процеса на въртене и трансформация на формата на капката остава влиянието на силите на вискозно триене.

Съвсем наскоро експериментите на Плато бяха повторени в космически кораб с капка силициево масло. Но такива експерименти, както е лесно да се разбере, не са евтино удоволствие - не е необходимо да изстрелвате специален космически кораб за това. А програмите за научни изследвания в космоса вече са пренаситени, така че не винаги има време за изучаване на капчици. Това означава, че е необходимо да се изберат такива експериментални условия, които едновременно да премахнат както ефекта на гравитацията върху обекта, който се изследва, така и ефектите на вискозна среда (в експериментите на Плато, например, това е триенето между капка зехтин и околната смес от алкохол и вода).

Физици от университета в Нотингам предложиха оригинален метод гравитационна компенсация. Те решиха този проблем използвайки диамагнитна левитация на водни капки(фиг. 2). Учени от Нотингам публикуваха резултатите от своите експериментални изследвания в списанието Physics Review Letters в статията Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet ( статията е публично достояние).

Факт е, че Някои вещества по своята магнитна природа са диамагнитни (например вода), това е слабо предава магнитно поле в себе си(идеален диамагнетик е свръхпроводник).

Ориз. 2. Схематични чертежи и принцип на работа на експерименталната установка, използвана от авторите за изследване на формата на водните капки (вижте обясненията в текста). Изображения от обсъжданата статия

Въпреки това, частично, до малка дълбочина, магнитното поле все още прониква в диамагнитното вещество и генерира електрически ток на повърхността му. Този ток създава собствено магнитно поле в диамагнитния материал, което, така да се каже, отблъсква от външното поле. По този начин съпротивлението срещу проникването на външно магнитно поле е това, което кара диамагнитните материали да се реят или левитират в пространството. Но е необходимо да се разбере, че за да възникне диамагнитна левитация, външното поле трябва да е много силно. При експерименти с водни капки, магнитното поле, каращо капките да се реят, е било гигантско по физически стандарти - 16,5 тесла (няколко десетки хиляди пъти по-силно от магнитното поле на Земята). Чудя се какво по този начин можете да накарате не само водни капки да левитират, но дори скакалци и жаби(виж видеото).

След като проблемът с елиминирането на гравитацията беше успешно решен (проблемът с околната среда с това решение вече не съществува - вискозното триене от въздуха е незначително), беше необходимо да се измисли механизъм, който да накара течността вътре в суспендираните водни капки да се върти по същия начин, както в експериментите на Платон. Решението на този проблем също се оказа „магнитно“. Учените са създали "течен електродвигател": в капката бяха вкарани два тънки златни електрода, единият от които съвпадаше с оста на симетрия на капката (фиг. 2а); През електродите се пропуска ток, чиято посока на протичане е перпендикулярна на силовите линии на външното магнитно поле.

В резултат на това полученият момент на силата на Лоренц кара течността вътре в капката да се върти и честотата на това въртене зависи от силата на тока, протичащ между електродите (фиг. 2b). Интересна допълнителна характеристика на „течния електродвигател“ е способността на неаксиален (т.е. несъвпадащ с оста на симетрия на капката) електрод да създава повърхностни вълни с малка амплитуда върху капката. Защо е било необходимо това ще стане ясно по-късно.

Използвайки техниката, изобретена от авторите на статията, беше възможно да се наблюдават различни форми на капчици. По-специално, когато течността се върти вътре в такива обекти, според теоретичните прогнози е възможно да се наблюдава преходът им от двуъгълна форма към триъгълна (триъгълна), а последната структура, както се предвижда от същата теория, трябва да бъде нестабилна . Използвайки водна капка с обем 1,5 ml (съответстващ на диаметър 14 mm), в която коефициентът на повърхностно напрежение е намален наполовина с помощта на повърхностноактивно вещество, британски учени показаха за първи път, че противно на теоретичните прогнози, тя е възможно да се постигне стабилност в триъгълна форма. Стабилизирането е постигнато чрез комбинация от въртене на капката и генериране на повърхностни вълни върху нея. Така повърхностните вълни изиграха ролята на своеобразен стабилизатор на триъгълната форма на водната капка.

Както се оказа, възбуждането на повърхностни вълни върху капка, съчетано с нейното въртене, прави възможно получаването на значителни разнообразието от форми на водни капки, които Платон може дори да не си е представял.

Ориз. 3. Най-горната фигура е графика на промяната във формата на 1,5 ml водна капка с течение на времето, когато се променя скоростта на въртене на течността. Графиката във вмъкването показва зависимостта на тока между електродите от времето. Фигурите a-f са поредица от снимки, показващи промяната във формата на водна капка. Имената на снимките (M1, M2, M3, M4) съответстват на имената на видео файловете, демонстриращи еволюцията на формата на капката. Вижте текста за подробности. Чертеж и снимки от обсъжданата статия

На фиг. Фигура 3 показва еволюцията във времето на капка вода от 1,5 ml с повърхностно активно вещество в състава си, когато честотата на въртене се промени (rps - брой обороти в секунда). Няколко уточнения относно графиката. При ниска честота на въртене и липса на повърхностни вълни върху капката, формата му прилича на сплескан сфероид(сплеснат сфероид) - с други думи, овална форма на капка. След като повърхностните вълни бяха активирани с помощта на ток и скоростта на въртене на течността вътре в капката продължи да се увеличава, формата й се трансформира в силно издължен овал - с други думи, стана двусемеделно(червена зона на графиката и моментна снимка на M1b под графиката). Жълтата част на графиката съответства на областта, когато капката започва да се върти около оста си като твърдо тяло (като едно цяло)и когато в същото време повърхностни вълни „вървят“ по капката. В резултат на това капката изглежда така, както е показано на снимка M1c - учените нарекоха тази форма на капка двустранна статична + въртяща се.

По-нататъшно увеличаване на тока и скоростта на въртене трансформира капка от овална (двусемеделна) в триъгълна(в този случай динамичното поведение на капката не е плътно) - зелена зона на графиката и снимка M2. Освен това, когато повърхностните вълни са стабилизирали такава структура на водна капка, увеличаването на скоростта на въртене може да постигне феномен, при който капката започва да се държи като твърдо тяло - тя се върти като едно цяло. (TOR - формата на въртящ се кръг в спирала - Уроборос според Блаватска, споменат от Иван Ефремов, и изобщо споменат на много места :)Тази област е показана в синьо на графиката (вижте също снимка M4). Забележително е съществуването на преходна област, когато капката просто започва да се държи като твърдо тяло (виж снимка M3). На графиката такава област съответства на градация на зелени и сини цветове.

Капка вода с обем 3 ml, вече без добавяне на повърхностноактивни вещества, се проявява малко по-богато в еволюционно отношение (фиг. 4). До известно време поведението на по-големия спад не се различава качествено от това, обсъдено по-горе. Въпреки това, както се вижда от фиг. 4, на петата минута от експеримента, с монотонно нарастваща ъглова скорост на въртене на течността, е възможно да се наблюдава четири- и дори петоъгълна форма на капка (сини и лилави области на графиката и снимки M10 и M11 ), което обаче не се държи като твърдо тяло. За да бъдем честни, отбелязваме, че тази форма не е стабилна и с течение на времето се изражда в двустранна (силно удължен овал, снимка M12), чието поведение съответства на въртящо се твърдо тяло.

Тук под формата на zip архив има галерия от 12 кратки филма, показващи еволюцията на водните капки, изследвана от английски учени. Горните снимки M1-M12 все още са кадри от тези филми и съответстват на имената на филмите: видео файловете M1-M4 показват капка от 1,5 ml, M5-M12 показват капка вода с обем 3 ml.

Ориз. 4. Най-горната фигура е графика на промяната във формата на 3 ml водна капка с течение на времето, когато се променя скоростта на въртене на течността. Графиката във вмъкването показва зависимостта на тока между електродите от времето. Фигури a-h са поредица от снимки, показващи променящата се форма на водна капка. Имената на снимките (M5, M6 ... M12) съответстват на имената на видео файловете, демонстриращи еволюцията на формата на капката. Вижте текста за подробности. Чертеж и снимки от обсъжданата статия

Експериментите с водни капки, според учените, не представляват само академичен интерес. Тъй като стабилизирането на формата на капката е настъпило поради сложното взаимодействие на нейното въртене и повърхностните вълни върху нея, експерименталните резултати могат да се използват при описанието на подобни физични явления - както на много по-големи (астрономически), така и на по-малки (ядрени) ) мащаб. Например, когато изучаваме формата на обекти от пояса на Кайпер, хоризонта на събитията на черните дупки или когато изучаваме формите на бързо въртящи се атомни ядра. (Между другото, отбелязваме, че идеята за използване на подхода на „капката“ при описване на характеристиките на атомните ядра вече е доста стара - просто си спомнете полу-експерименталната формула на Weizsäcker, която описва енергията на свързване на атомните ядра; обаче , самият този израз вече не се използва на настоящия етап от развитието на науката.)

Източник. Р. Дж. А. Хил, Л. Ийвс. Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically levitated and SpinningWater Droplet (пълен текст - PDF, 3,45 MB, допълнителни материали към статията - PDF, 287 KB) // Physical Review Letters, 101, 234501 (2008).

Ние сме свикнали с идеята, че капката има формата на топка. Всъщност почти никога не е топка, въпреки че тази форма осигурява най-малко обем.

Капка, поставена върху хоризонтална повърхност, е сплескана. Капката, падаща във въздуха, има сложна форма. И само капка в състояние на безтегловност придобива сферична форма.

Голямата съветска енциклопедия съдържа незабавни снимки на падащи дъждовни капки. По-специално, капка с диаметър 6 mm има форма, близка до формата на шапка на гъба; Капките с по-малък диаметър имат форма, близка до топка.

Образуването на капка може да се опише с три характерни състояния. Състояние А съответства на началото на образуването на капка: повърхността на течността в края на тръбата е хоризонтална, радиусът на нейната кривина е много голям, силите на повърхностно напрежение са насочени перпендикулярно на стената на тръбата и не предотвратявайте изтичането на течността. След кратко време капката преминава в състояние B, което се характеризира с най-голямата сила на Лаплас, което забавя скоростта на образуване на капката и следователно скоростта на изтичане. В това състояние радиусът на кривината на повърхността е r. След това обемът на капката се увеличава, тя преминава в състояние B, което характеризира основния етап на образуване на капка: силата на Лаплас е голяма, но по-малка, отколкото в състояние B, и допълнително намалява с увеличаване на радиуса на капката; Времето за натрупване на масата, необходима за разделяне, е дълго в сравнение с времето на преход от състояние А към състояние Б, скоростта на изтичане допълнително намалява.

Радиус на падане

Падането на дъждовна капка, поради относителността на механичното движение, може, в първо приближение, да бъде заменено с издигане на капка във възходящ въздушен поток.

Повторихме експеримента, описан в дневника. Капките се поставят във въздушния поток с помощта на медицинска спринцовка. За да направите това, краят на иглата се поставя в поток от въздух и чрез бавно изстискване на водата от спринцовката се получават капки с различен обем. Капки, поради намокряне, могат да останат върху иглата за известно време. В този момент можете ясно да наблюдавате формата на капките. След известно време капката пада от върха на иглата и виси във въздуха за няколко секунди. Това време е достатъчно, за да разгледате формите на капки с различни размери или да ги снимате.

В хода на изследването се оказа, че капките с малък диаметър всъщност имат форма, близка до топка, а капките с по-голям диаметър имат форма, напомняща шапка на гъба.

Наблюдение на разпадането на капка в пръстен и взаимодействието на пръстените

Решихме да наблюдаваме разпадането на капка в пръстен, за да проверим валидността на данните, представени от авторите за поведението на капка мастило върху повърхността и във водата. По време на експеримента записахме, че по-плътна течност се стреми надолу според законите, описани от нестабилността на Рейли-Тейлър, с образуването на вихри.

За целта използвахме прозрачен стъклен съд, напълнен с вода. Бяха избрани капиляри с различни диаметри и по този начин се получиха капки с различни радиуси.

Поведението на капка мастило зависи от няколко параметъра: ако течността има висока плътност, например разтвор на готварска сол, или капката пада от голяма височина и удря повърхността на течността с висока скорост, тогава тя се счупва на части и не прониква дълбоко в течността. Но ако плътността на течността е малко по-малка от тази на мастилото и капката пада от височина няколко сантиметра, тогава с нея се случват интересни трансформации.

Ако внимателно донесете капка мастило до самата повърхност и я докоснете, капката моментално ще бъде изтеглена във водата и ще започне да се движи надолу с висока скорост. Капката придобива тази скорост под въздействието на взаимното привличане на течни молекули. Силите, които възникват в този случай, се наричат ​​сили на повърхностно напрежение, тъй като те винаги се стремят да намалят свободната повърхност на течността, като я изтеглят навътре и изравняват всички неравности по нея.

Първоначално капката мастило се потапя във водата с висока скорост, но след това движението й се забавя. Причината за това движение е Архимедовата сила, която почти балансира силата на гравитацията и силата на триене между капката и неподвижната вода. Тъй като силата на триене действа само върху външната повърхност на капката, след като измине няколко сантиметра, капката се превръща във въртящ се пръстен.

Механизмът за образуване на вихров пръстен е доста прост: страничната повърхност на капката се забавя от неподвижната вода и започва да изостава от вътрешната част. Мястото на неуспешната среда се заема от чиста вода.

Пръстенът не остава идеално кръгъл за дълго: въртенето му се забавя и върху него се появяват издутини и вдлъбнатини. Това явление се нарича нестабилност на Rayleigh-Taylor, което се състои във факта, че слой от тежка течност, лежащ върху слой от по-лека течност, може да бъде в равновесие, но това равновесие ще бъде нестабилно. Веднага щом интерфейсът между течностите се огъне малко, тежката течност ще се втурне във вдлъбнатините, а леката течност ще започне да плава, увеличавайки подуването. Това е напълно естествено: течностите са склонни да заемат положение на стабилно равновесие, когато леката е отгоре, а тежката е отдолу.

Движението на струя в неподвижна течност в много отношения напомня движението на отделна капка: под действието на вискозни сили в края на струята отново се образува вихров пръстен, който след няколко секунди под влияние на нестабилността на Rayleigh-Taylor, само по себе си ще генерира 2-3 струи. Този процес на „пъпкуване“ се повтаря няколко пъти, докато мастилото достигне дъното на буркана, оставяйки следа след себе си.

При изследване на взаимодействието на вихровите пръстени, в момента, в който са на една и съща височина, те започват да взаимодействат помежду си. Има три възможни случая.

Първият случай е, когато вторият пръстен изпреварва първия, без да го докосва. Случва се следното. Първо, потокът вода от двата пръстена изглежда отблъсква пръстените един от друг. Второ, потокът от мастило от първия пръстен към втория се открива: водните потоци от втория пръстен са по-интензивни и те носят мастилото заедно с тях. Понякога част от това мастило преминава през втория пръстен, което води до образуването на нов малък пръстен. След това пръстените започват да се разделят, тогава не успяхме да забележим нищо интересно.

Вторият случай е, когато вторият пръстен докосне първия при изпреварване. В резултат на това по-интензивните потоци на втория пръстен разрушават първия. По правило се образуват нови малки вихри от мастиления съсирек, останал от първия пръстен.

Третият случай е, когато пръстените изпитват централен удар. В този случай вторият пръстен преминава през първия и намалява по размер, докато първият, напротив, се разширява. Както и в предишните случаи, това се дължи на взаимното действие на водните потоци от един пръстен към друг. Впоследствие пръстените започват да се делят.

Необичайните физични свойства на течностите се проявяват не само в научна лаборатория, но и в реалния живот. Можете да наблюдавате удивителното поведение на водата както на Земята, така и в космоса. Няма особено значение от какъв източник е взета водата: от кладенец, езеро, река или море. Водните проби, събрани от различни източници, ще се различават по химичен състав, но проявлението на физическите качества ще остане непроменено.

Поведение на водата под въздействието на гравитацията

Водата, както всяка друга течност, излята във всеки съд, е обект на силата на гравитацията под въздействието на земната гравитация, която притиска течността към дъното на контейнера. В същото време съществуват сили на повърхностно напрежение, които принуждават водата да заема възможно най-малък обем. Тези сили ви позволяват да налеете малко повече вода в съда, отколкото позволява обемът му. Водата сякаш се събира в капачка над ръбовете на стените. Силата на повърхностното напрежение предотвратява изливането му.

Ефектът от тази сила може да се наблюдава, когато игла, поставена на повърхността на водата, остава да плава. Друго проявление на силата на повърхностното напрежение възниква, когато водата се излива от наклонен съд: водната струя винаги има формата на цилиндър. При наличието на гравитация силата на повърхностното напрежение и силата на гравитацията винаги са балансирани.

Вода в орбита

Всички тела в космически кораб, обикалящ около планета, са в състояние на безтегловност. Поради това силата на повърхностното напрежение започва да действа в по-голяма степен върху водата в кабината на космическия кораб. Известно е, че топката, като геометрично тяло, има най-малката повърхност със същия обем като другите тела. Следователно водата, излята от съд при условия на нулева гравитация, ще се събере на топки и ще се носи във въздуха, тъй като няма тегло.

Между другото, водата, излята в бутилка, също „плува“ в нея под формата на много топки и капки и пълното напълване на бутилката с вода ще доведе до определени трудности: излятата вода ще измести въздуха от бутилката заедно с водните топки . В бутилката ще остане само водата, която е полепнала по стените. Струва си да се отбележи, че в кабината на космическия кораб няма душ, тъй като водата, изливаща се от душовата глава, разбира се, няма да изтече в дренажния отвор, а ще се разпръсне на топки в цялата душ кабина. Вместо душ, за хигиенни цели, астронавтите използват мокри кърпи, които станаха прототипи на добре познатите мокри кърпички.

Знаеш ли?..

Орбиталните станции на Салют бяха оборудвани с душ: вода се подава в кабината заедно с поток от сгъстен въздух и след това се засмуква в канализацията като прахосмукачка. Технологията се смяташе за нерентабилна поради значителното потребление на вода, а съвременната МКС не беше оборудвана с душове.

„Необичайни прояви на свойствата на водата при нулева гравитация“, БЦ "ПОИСК", кажете на приятели: 21 май 2017 г

В условията на безтегловност се появяват няколко интересни ефекта, за които обещах да говоря в едно от предишните съобщения.

Много е интересно да се разгледа как се държат две противоположности при нулева гравитация: вода и огън.

При нормални земни условия водата (всъщност всяка течност), излята в съд, е подложена на няколко сили. В резултат на влиянието на гравитацията той постоянно се намира на дъното на съда, в който се изсипва. Има и сили на повърхностно напрежение на течността, които постоянно се стремят да намалят повърхността на течността. Благодарение на нея иглата може да плува на повърхността на водата. Благодарение на него потокът от вода се „залепва“ в цилиндъра. Тези две сили винаги са в баланс.

А сега си представете, че сме в кабината на космически кораб, в нулева гравитация. Всички предмети се носят около кабината на нашия космически кораб. Не забравяйте, че гравитацията продължава да влияе на всички обекти наоколо, защото (както вече беше споменато в едно от предишните съобщения) полетът на космически кораб е постоянно попадане под нейното влияние. И телата вътре в кораба, и самият кораб падат с еднакво ускорение, така че телата не действат върху опората си, тоест нямат тежест.

И тук силите на повърхностното напрежение започват да играят основна роля. Ако изпръскате течност от съд, тя няма да се излее на пода (безтегловност!!!), а ще се носи из кабината на кораба. Не просто плувайте, а плувайте на топка.

Защо се случва това? Работата е там, че силите на повърхностно напрежение винаги са склонни да намалят повърхността на течността. А топката е забележителна с това, че от всички геометрични тела с еднакъв обем, тя има минималната повърхност.

Като цяло течностите се държат при нулева гравитация напълно различно от това на Земята. Ето какво казва космонавтът Александър Серебров за това:

На Земята, за да налеете вода в бутилка, поставяте гърлото под потока. В космоса, в условията на безтегловност, течността не се натрупва на дъното на съда, а „плува“ вътре в съда под формата на сферични капки с различни размери. Напълването на съд с вода ще доведе до изместване на въздуха от него и капки вода, суспендирани в него, ще „плуват“ заедно с въздуха. Ако струята се насочи с ниска скорост директно към стената на съда, тогава водата, намокряща стената, ще полепне по нея и няма да има суспендирани капки (поне докато съдът не се разклати). За да получите вода, трябва или да разклатите бутилката, да я завъртите, така че течността да се притисне към стените й, или да използвате спринцовка. Измислих свой собствен метод: поставям в съда дълъг и тесен предмет, например дръжката на лъжица, по която полепват капките. Благодарение на силите на повърхностното напрежение течността се "разпространява" по дръжката и се приближава до ръба на гърлото на съда.

Процедурите, свързани с личната хигиена, стават много сложни: обикновеният душ при нулева гравитация няма да работи. Или по-скоро ще стане, но капчици вода няма да потекат в дренажния отвор, а ще започнат да се разпръскват из кабината на кораба, попадайки дори в най-недостъпните места :) Тоест тази задача е изключително трудна. В Съветския съюз обаче беше създаден космически дъжд. На орбиталните станции Салют-6 и Салют-7 бяха монтирани душ кабини. Това бяха затворени сгъваеми кабини (за да се предотврати излитането на капки). Водата изтичаше от душа под въздействието на поток от сгъстен въздух и също беше насила засмукана в дренажния отвор. Устройството обаче беше счетено за неефективно (поради твърде много консумация на вода, която в космоса „струва теглото си в злато“), така че няма душа в станциите от следващо поколение - Мир и МКС. Астронавтите се мият, като се подсушават със специални мокри кърпи. Всички познаваме мокрите кърпички – истински продукт на космическата ера.

Ами пламъкът? Освен това се държи при нулева гравитация напълно различно от това на Земята. Вижте снимката:

Отляво е пламък на свещ при нормални условия, отдясно е при нулева гравитация. И отново обектът на нашето разглеждане има тенденция да приеме формата на сфера. Защо се случва това този път?

На Земята, поради влиянието на гравитацията, възникват конвекционни течения, които по-специално повдигат горещи частици сажди нагоре, в резултат на което наблюдаваме тази форма и цвят на пламъка. При нулева гравитация няма конвекционни течения и частиците сажди не се издигат никъде. Пламъкът на свещта има формата на топка и има синкав оттенък. Този цвят се дължи на факта, че материалът на свещта е смес от наситени въглеводороди, които при изгаряне отделят водород, който от своя страна също започва да гори. А водородът гори със син пламък.

Астронавт, намиращ се на орбитална космическа станция, летяща около Земята, изстиска капка течност от епруветка с космическо хранене, която започна да лети около кабината на станцията. Каква форма ще приеме тази капка?

Обяснете отговора си.

Повърхностно напрежение на течности

Ако вземете тънка, чиста стъклена тръба (наречена капилярка), поставите я вертикално и потопите долния й край в чаша с вода, водата в тръбата ще се издигне на определена височина над нивото на водата в чашата. Чрез повтаряне на този експеримент с тръби с различни диаметри и различни течности може да се установи, че височината на течността в капиляра е различна. В тесните тръби същата течност се издига по-високо, отколкото в широките. В този случай в една и съща тръба различни течности се издигат на различна височина. Резултатите от тези експерименти, както и редица други ефекти и явления, се обясняват с наличието на повърхностно напрежение на течностите.

Появата на повърхностно напрежение се дължи на факта, че течните молекули могат да взаимодействат както помежду си, така и с молекулите на други тела - твърди, течни и газообразни, с които са в контакт. Молекулите на течността, които са на нейната повърхност, „съществуват“ при специални условия - те са в контакт с други молекули на течността и с молекули на други тела. Следователно равновесието на повърхността на течността се постига, когато сумата от всички сили на взаимодействие между молекулите, разположени на повърхността на течността, и другите молекули стане нула. Ако молекулите на повърхността на течността взаимодействат предимно с молекулите на самата течност, тогава течността придобива форма, която има минимална свободна повърхност. Това се дължи на факта, че за да се увеличи свободната повърхност на течността, е необходимо да се преместят молекулите на течността от нейната дълбочина към повърхността, за което е необходимо да се „раздалечат“ молекулите, разположени на повърхност, тоест да извършват работа срещу силите на тяхното взаимно привличане. По този начин състоянието на течността с минимална свободна повърхност е най-благоприятно от енергийна гледна точка. Повърхността на течността се държи като опънат еластичен филм - тя се стреми да се свие колкото е възможно повече. Ето защо се появи терминът „повърхностно напрежение“.

Горното описание може да се илюстрира с помощта на опита на Plateau. Ако поставите капка анилин в разтвор на готварска сол, като изберете концентрацията на разтвора така, че капката да плува вътре в разтвора, намирайки се в състояние на безразлично равновесие, тогава капката под въздействието на повърхностното напрежение ще придобие сферична форма форма, тъй като сред

От всички тела топката има минималната повърхност за даден обем.

Ако молекули на повърхността на течност влязат в контакт с молекули на твърдо вещество, тогава поведението на течността ще зависи от това колко силно молекулите на течността и твърдото вещество взаимодействат една с друга. Ако силите на привличане между молекулите на течността и твърдото тяло са силни, тогава течността ще има тенденция да се разпространява по повърхността на твърдото тяло. В този случай те казват, че течността намокря добре твърдото вещество (или го намокря напълно). Пример за добро намокряне е вода, която е в контакт с чисто стъкло. Капка вода, поставена върху стъклена чиния, веднага се разлива върху нея в тънък слой. Именно поради доброто намокряне на стъклото с вода се наблюдава повишаване на нивото на водата в тънките стъклени тръби. Ако силите на привличане на течни молекули една към друга значително надвишават силите на тяхното привличане към молекули на твърдо тяло, тогава течността ще се стреми да приеме такава форма, че площта на нейния контакт с твърдото тяло е толкова малка колкото е възможно. В този случай те казват, че течността не намокря добре твърдото вещество (или не го намокря напълно). Пример за лошо намокряне са капки живак, поставени върху стъклена чиния. Те имат формата на почти сферични капки, леко деформирани поради гравитацията. Ако спуснете края на стъклен капиляр не във вода, а в съд с живак, тогава нивото му ще бъде по-ниско от нивото на живак в съда.

Решение.

1. Капката ще приеме формата на топка.

2. Всички обекти на орбиталната станция са в състояние на безтегловност, така че формата на капката ще се определя само от повърхностното напрежение. Поради него капката ще се опита да заеме форма, в която повърхността е минимална, тоест формата на топка.