какую форму вода принимает в космосе

Что происходит с водой в космосе

Как ведет себя вода и другие жидкости на Земле, мы все прекрасно знаем. А вот что произойдет с водой в космосе, точнее что произойдет с водой в невесомости, на борту космического корабля? Попробуем разобраться.

Сила поверхностного натяжения жидкости

На Земле жидкость обычно течёт вниз. В этом нет ничего удивительного. Все к этому привыкли.

А теперь представьте себе, что обычная вода летает, как мыльные пузыри, по комнате. Необычно? Но то что необычно на Земле, становится обычным явлением на её орбите. Происходит это из-за того, что в космосе в поведении жидкостей доминирует не гравитация планеты, а сила поверхностного натяжения. Образно говоря, жидкость, “предоставленная самой себе” в космосе, сразу же принимает форму с минимальной поверхностью, то есть форму шара.

Вода в невесомости ведет себя непривычно с земной точки зрения и собирается в аккуратные шарики

Гравитация – всемирное тяготение

Прежде чем разобраться какие последствия могут возникнуть из-за изменения силы притяжения, выясним, что такое гравитация. Гравитация – это всемирное тяготение. Свойство материи, выражающееся во взаимном притяжении тел. Именно гравитация определяет поведение жидкости в пределах Земли. Мы воспринимаем гравитацию, как должное, ведь на Земле она действует постоянно и её сила никогда не меняется.

Хотя собственную гравитацию имеет каждое тело имеющее вес, сама по себе эта сила чрезвычайно мала. Поэтому нет ничего удивительного в том, что два кусочка сахара положенные на стол не притягиваются друг к другу. Веса не хватает! Другое дело гравитация небесного тела, такого как наша планета.

И хотя гравитация незаметна для нас, если она вдруг исчезнет, не заметить этого мы просто не сможем. Все не закрепленные предметы начнут летать, вода из привычного нам состояния перейдет в шарообразную форму, да и атмосфера планеты перестанет удерживаться у поверхности планеты и улетит в космос. Исчезновение гравитации было бы концом жизни.

Впрочем, увеличение силы тяжести также нежелательно: в этом случае все предметы и живые существа стали бы тяжелее. В первую очередь это все отразилось бы на постройках и сооружениях. Дома, мосты, колонны и многое другое были построены с учетом нормальной привычной гравитации, и любые изменения в силе притяжения повлекли бы за собой серьезные последствия – большинство бы сооружений просто рассыпались, да и наши кости тоже не приспособлены носить больший вес.

На самом деле мы не раз наблюдали подобное поведение воды и на Земле – посмотрите на эту каплю росы. Шарообразную форму она принимает все из-за той же силы поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение и угол смачивания

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.

При малых массах, благодаря действию сил поверхностного натяжения, жидкость также принимает форму, соответствующую минимальной поверхности. Да вы и сами видели примеры этого – капли воды имеют сферическую форму и не растекаются сами по себе. Это и есть поверхностное натяжение жидкости в действии.

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˚, то капля растекается по поверхности. В таких случаях говорят, что жидкость хорошо смачивает поверхность. Если же этот угол больше 90˚, то капля “стягивается” в сплющенный, под давлением собственного веса, водяной шарик. Однако, если вы легонько надавите на него пальцем – он немедленно растечется в мини-лужицу. Всемирное тяготение “пересилит” поверхностное натяжение.

Если же две капли сольются в одну и их общий вес увеличится, они также потеряют шарообразную форму.

Если достаточно аккуратно положить на водную поверхность металлическую скрепку – она не утонет. А клопы-водомерки вообще научились обращать физику себе на польз и без проблем скользят по водной глади на своих ножках

Различия в поведении жидкости в космосе и на Земле

Итак, надеюсь вы смогли ознакомиться и понять разницу в поведении жидкостей в пределах Земли и в космосе.

Источник

Необычные проявления свойств воды в невесомости

Необычные физические свойства жидкостей проявляются не только в условиях научной лаборатории, но и в реальной жизни. Наблюдать удивительное поведение воды можно и на Земле, и в космосе. При этом не имеет особого значения, из какого источника взята вода: из колодца, скважины для воды, озера, реки или моря. Пробы воды, набранные из разных источников, будут отличаться химическим составом, а проявление физических качеств останутся неизменными.

Поведение воды при воздействии силы тяжести

На воду, как и на любую другую жидкость, налитую в какую-либо емкость, под влиянием земной гравитации действует сила притяжения, которая прижимает жидкость ко дну сосуда. В то же время присутствуют силы поверхностного натяжения, заставляющие воду занимать как можно меньший объем. Эти силы позволяют налить воды в сосуд чуть больше, чем позволяет его объем. Вода как будто собирается шапкой над краями стенок. Выливаться ей не дает сила поверхностного натяжения.

Действие этой силы можно наблюдать, когда положенная на поверхность воды иголка остается плавать. Еще одно проявление силы поверхностного натяжения проявляется, когда вода выливается из наклоненного сосуда: струя воды всегда принимает форму цилиндра. При наличии гравитации сила поверхностного натяжения и сила тяжести всегда уравновешены.

Вода на орбите

Все тела в космическом корабле, находящемся на орбите планеты, пребывают в состоянии невесомости. Поэтому на воду в салоне космического аппарата в большей степени начинает действовать сила поверхностного натяжения. Известно, что шар, как геометрическое тело, обладает наименьшей площадью поверхности при одинаковом с другими телами объеме. Следовательно, вода, вылитая из сосуда в условиях невесомости, соберется в шарики и будет плавать в воздухе, так как не имеет веса.

Кстати, вода, налитая в бутылку, также «плавает» в ней в виде множества шариков и капель, и заполнение бутылки водой полностью вызовет определенные затруднения: наливаемая вода будет вытеснять из бутылки воздух вместе с шариками воды. В бутылке останется только та вода, которая прилипнет к стенкам. Стоит отметить, что в салоне космического корабля отсутствует душ, потому что выливающаяся из душевой лейки вода, само собой разумеется, не вытечет в сливное отверстие, а будет разлетаться шариками по душевой кабине. Вместо душа в гигиенических целях космонавты используют влажные полотенца, ставшие прототипами всем известным влажным салфеткам.

А знаете ли вы.

Орбитальные станции «Салют» были оборудованы душем: вода в кабинку подавалась вместе со струей сжатого воздуха, а потом всасывалась как пылесосом в слив. Технология была признана нерентабельной из-за значительного расхода воды, и современную МКС душевыми кабинками не оснастили.

Источник

Как ведет себя вода в космосе

Космонавты, несущие свою вахту на МКС, регулярно проводят различные опыты в невесомости. И российские, и американские космонавты снимают результаты опытов на видео, чтобы ученые на Земле могли изучить влияние невесомости на совершенно разные вещи, а мы — просто полюбовались необычными свойствами обычных вещей.

Так в последнее время космонавты полюбили снимать ролики с водой, которая ведет себя в космосе самым волшебным образом.

Под воздействием силы поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить площадь поверхности жидкости, вода в безгравитационном пространстве демонстрирует настоящие фокусы.

Так, разлитая жидкость собирается в один шар прямо в воздухе, не касаясь плоской поверхности. Наполнить водой бутылку будет совершенно невозможно: из жидкости образуются крошечные пузыри, которые будут плавать по емкости, не оставаясь на дне и не смешиваясь. Не менее сложным будет выплеснуть воду из заполненного сосуда − бутылку необходимо будет трясти или крутить так, чтобы жидкость прилипла к стеклянным стенкам. Совершенно не возможно в космосе плакать: все слезы останутся на лице плачущего космонавта. И если плакать слишком долго, то вскоре все лицо будет находиться под толстым слоем водяного пузыря. Избавиться от него можно, только вытерев полотенцем.

А что же будет, если попытаться это полотенце потом выжать? Вода с полотенца останется на полотенце и не будет каплями разлетаться по пространству.

Именно из-за нестандартного поведения воды в космосе космонавты МКС не могут принимать душ. Заменой для космонавтов служат специальные влажные полотенца для обтирания.

Наверное, поэтому, не смотря на все чудеса космоса, космонавты все же очень скучают по дому, по душу и по нормальному поведению привычных вещей.

Источник

Физика жидкости в условиях невесомости

Роль силы поверхностного натяжения в условиях невесомости. Форма поверхности жидкости, смачиваемость и капиллярность в невесомости. Правила употребления напитков в космосе. Кипение воды в невесомости. Сравнение свойств жидкости на Земле и в невесомости.

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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 [572,8 K], 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 [17,6 K], 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 [177,1 K], 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 [624,6 K], 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 [860,4 K], добавлен 07.12.2010

Источник

В невесомости капля жидкости способна принимать не только шарообразную форму

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 как для объяснения структур астрономических объектов (черные дыры, пояс Койпера), так и в описании быстровращающихся атомных ядер.

То, что капля жидкости в отсутствие гравитации имеет форму шара, кажется очевидным, но подтвердить этот факт экспериментально смог лишь в 1863 году бельгийский физик Жозеф Плато (Joseph Plateau), давно ослепший к тому времени, после того как он однажды 25 секунд не отрываясь смотрел на полуденное солнце. Для доказательства он поместил каплю оливкового масла в водно-спиртовую смесь, имевшую такую же плотность, как и масло. Уравновешивая силу тяжести, действующую на каплю, архимедовой (выталкивающей) силой, ученый добивался состояния невесомости капли. В результате таких манипуляций капля принимала сферическую форму. 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 оливкового масла, капля меняла свою форму с шарообразной на овальную, а далее трансформировалась в двудольную структуру, напоминающую сильно вытянутый овал. И наконец, при очень большой скорости вращения капля становилась тором. Схематически изменение формы капли с увеличением скорости вращения жидкости в ней изображено на рис. 1.

К сожалению, опыты Плато не были совершенными по одной простой причине. Среда, которая окружала исследуемый объект в его опытах, за счет сил вязкости оказывает нежелательное дополнительное воздействие на форму капли. А потому результаты исследований бельгийского физика носили лишь качественный характер. И на протяжении 150 лет с момента экспериментов бельгийца главным препятствием на пути к количественному описанию процесса вращения и трансформации формы капли оставалось влияние сил вязкого трения.

Сравнительно недавно эксперименты Плато были повторены в космическом корабле с капелькой кремниевого масла. Но подобные эксперименты, как несложно понять, удовольствие недешевое — не запускать же ради этого специальный космический корабль. А программы научных исследований в космосе и без того перенасыщены, так что там не всегда находится время для исследования капель. Значит, необходимо подобрать такие условия эксперимента, чтобы одновременно убрать как действие на исследуемый объект гравитации, так и эффекты вязкого окружения (в опытах Плато, например, это трение между каплей оливкового масла и окружающей ее смесью спирта и воды).

Физики из Ноттингемского университета предложили оригинальный способ компенсации гравитации. Они решили эту проблему, используя диамагнитную левитацию водяных капель (рис. 2). Результаты своих экспериментальных изысканий ученые из Ноттингема опубликовали в журнале Physics Review Letters в статье Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet (статья находится в открытом доступе).

Дело в том, что некоторые вещества по своей магнитной природе являются диамагнетиками (например, та же вода), то есть слабо пропускают внутрь себя магнитное поле (идеальным диамагнетиком является сверхпроводник).

Однако частично, на небольшую глубину, магнитное поле всё же проникает в диамагнитное вещество и генерирует на его поверхности электрический ток. Этот ток создает в диамагнетике собственное магнитное поле, которое как бы отталкивается от поля внешнего. Таким образом, сопротивление проникновению внешнего магнитного поля и заставляет диамагнетики зависать, или левитировать, в пространстве. Но необходимо понимать, что для возникновения диамагнитной левитации внешнее поле должно быть очень сильным. В опытах с водяными каплями магнитное поле, заставляющее капли зависать, по физическим меркам было гигантским — 16,5 Тл (в несколько десятков тысяч раз сильнее магнитного поля Земли). Интересно, что таким образом можно заставить левитировать не только водяные капли, но даже кузнечиков и лягушек (см. видео).

После того как задача об уничтожении силы тяжести была успешно решена (проблема окружающей среды при этом решении уже отпадает — вязкое трение со стороны воздуха ничтожно), необходимо было придумать механизм, который заставил бы жидкость внутри подвешенных водяных капель вращаться так же, как в опытах Плато. Решение этой задачи тоже оказалось «магнитным». Ученые создали «жидкий электрический мотор»: в каплю вставлялось два тонких золотых электрода, один из которых совпадал с осью симметрии капли (рис. 2а); через электроды пропускался ток, направление протекания которого было перпендикулярно силовым линиям внешнего магнитного поля.

В итоге возникающий момент силы Лоренца заставлял жидкость внутри капли вращаться, и частота этого вращения зависела от силы тока, протекающего между электродами (рис. 2b). Интересной дополнительной особенностью «жидкого электрического мотора» является способность неосевого (то есть несовпадающего с осью симметрии капли) электрода создавать на капле поверхностные волны небольшой амплитуды. Для чего это было необходимо, станет ясно дальше.

С помощью изобретенной авторами статьи техники удалось наблюдать различные формы капель. В частности, при вращении жидкости внутри таких объектов, согласно теоретическим предсказаниям, существует возможность наблюдать их переход из двудольной формы в треугольную (трехдольную), причем последняя структура, как предсказывает та же теория, должна быть неустойчива. На примере водяной капли объемом 1,5 мл (что соответствует диаметру 14 мм), у которой с помощью поверхностно-активного вещества коэффициент поверхностного натяжения уменьшен вдвое, английские ученые впервые показали, что, вопреки теоретическим предсказаниям, можно добиться устойчивости треугольной формы. Стабилизация достигалась за счет комбинации вращения капли и генерирования на ней поверхностных волн. Таким образом, поверхностные волны играли роль своего рода стабилизатора треугольной формы водяной капли.

Как оказалось, возбуждение на капле поверхностных волн вкупе с ее вращением позволяет получить значительное многообразие форм водяных капель, о которых Плато, возможно, даже и не догадывался.

На рис. 3 приведена временная эволюция 1,5 мл водяной капли с поверхностно-активным веществом в своем составе при изменении частоты вращения (rps — количество оборотов в секунду). Несколько пояснений к графику. При малой частоте вращения и отсутствии поверхностных волн на капле ее форма напоминает сплюснутый сфероид (oblate spheroid) — проще говоря, форма капли овальная. После того как с помощью тока были активизированы поверхностные волны, а скорость вращения жидкости внутри капли продолжала увеличиваться, ее форма трансформировалась в сильно вытянутый овал — иными словами, стала двудольной (красная область на графике и снимок M1b под графиком). Желтый участок графика соответствует области, когда капля начинает вращаться вокруг своей оси как твердое тело (как единое целое) и когда одновременно с этим по капле «гуляют» поверхностные волны. В итоге капля выглядит так, как это показано на фотографии M1c — ученые такую форму капли назвали двудольная статическая + вращающаяся.

Дальнейшее увеличение силы тока и скорости вращения превращает каплю из овальной (двудольной) в треугольную (при этом динамическое поведение капли не твердотельное) — зеленая область на графике и фото М2. Далее, когда поверхностные волны стабилизировали такую структуру водяной капли, увеличивая скорость вращения можно добиться явления, при котором капля начинает себя вести подобно твердому телу — вращается как единое целое. На графике эта область отражена синим цветом (см. также фото М4). Обращает на себя внимание существование переходной области, когда капля только начинает себя вести как твердое тело (см. фото М3). На графике такая область соответствует градации зеленого и синего цветов.

Несколько богаче в эволюционном отношении проявляет себя капля воды объемом 3 мл уже без добавок поверхностно-активных веществ (рис. 4). До некоторого времени поведение большей капли ничем качественно не отличается от рассмотренного выше. Однако, как это видно из рис. 4, на пятой минуте эксперимента при монотонно возрастающей угловой скорости вращения жидкости есть возможность наблюдать четырех- и даже пятиугольную форму капли (голубая и фиолетовые области на графике и фото М10 и М11), которая, однако, не ведет себя как твердое тело. Справедливости ради отметим, что такая форма не является устойчивой и со временем вырождается в двудольную (сильно вытянутый овал, фото М12), поведение которой соответствует вращающемуся твердому телу.

Здесь в виде zip-архива представлена галерея из 12 коротких фильмов, показывающих эволюцию водяных капель, изученных английскими учеными. Приведенные выше фото М1–М12 являются стоп-кадрами этих фильмов и соответствуют названиям фильмов: на видеофайлах М1–М4 заснята капля 1,5 мл, М5–М12 показана капля воды объемом 3 мл.

Эксперименты с каплями воды, по мнению ученых, представляют не только академический интерес. Поскольку стабилизация формы капли происходила вследствие сложного взаимодействия ее вращения и поверхностных волн на ней, то результаты опытов могут быть использованы в описании схожих физических явлений — как значительно большего (астрономического), так и меньшего (ядерного) масштаба. Например, при изучении формы объектов пояса Койпера, горизонта событий черных дыр или при исследовании форм быстровращающихся атомных ядер. (Кстати, заметим, что идея использовать «капельный» подход в описании характеристик атомных ядер уже довольно стара — достаточно вспомнить о полуэкспериментальной формуле Вайцзеккера, которая описывает энергию связи атомных ядер; правда, само это выражение на современном этапе развития науки уже не используется.)

Источник. R. J. A. Hill, L. Eaves. Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet (полный текст — PDF, 3,45 Мб, дополнительные материалы к статье — PDF, 287 Кб) // Physical Review Letters, 101, 234501 (2008).

См. также:
Vitor Cardoso. The many shapes of spinning drops (комментарий к обсуждаемой статье).

Источник