Космонавт, находящийся на орбитальной космической станции, летающей вокруг Земли, выдавил из тюбика с космическим питанием каплю жидкости, которая начала летать по кабине станции. Какую форму примет эта капля?
Ответ поясните.
Поверхностное натяжение жидкостей
Если взять тонкую чистую стеклянную трубку (она называется капилляром), расположить её вертикально и погрузить её нижний конец в стакан с водой, то вода в трубке поднимется на некоторую высоту над уровнем воды в стакане. Повторяя этот опыт с трубками разных диаметров и с разными жидкостями, можно установить, что высота поднятия жидкости в капилляре получается различной. В узких трубках одна и та же жидкость поднимается выше, чем в широких. При этом в одной и той же трубке разные жидкости поднимаются на разные высоты. Результаты этих опытов, как и ещё целый ряд других эффектов и явлений, объясняются наличием поверхностного натяжения жидкостей.
Возникновение поверхностного натяжения связано с тем, что молекулы жидкости могут взаимодействовать как между собой, так и с молекулами других тел - твёрдых, жидких и газообразных, - с которыми находятся в соприкосновении. Молекулы жидкости, которые находятся на её поверхности, «существуют» в особых условиях - они контактируют и с другими молекулами жидкости, и с молекулами иных тел. Поэтому равновесие поверхности жидкости достигается тогда, когда обращается в ноль сумма всех сил взаимодействия молекул, находящихся на поверхности жидкости, с другими молекулами. Если молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, взаимодействуют преимущественно с молекулами самой жидкости, то жидкость принимает форму, имеющую минимальную площадь свободной поверхности. Это связано с тем, что для увеличения площади свободной поверхности жидкости нужно переместить молекулы жидкости из её глубины на поверхность, для чего необходимо «раздвинуть» молекулы, находящиеся на поверхности, то есть совершить работу против сил их взаимного притяжения. Таким образом, состояние жидкости с минимальной площадью свободной поверхности является наиболее выгодным с энергетической точки зрения. Поверхность жидкости ведёт себя подобно натянутой упругой плёнке - она стремится максимально сократиться. Именно с этим и связано появление термина «поверхностное натяжение».
Приведённое выше описание можно проиллюстрировать при помощи опыта Плато. Если поместить каплю анилина в раствор поваренной соли, подобрав концентрацию раствора так, чтобы капля плавала внутри раствора, находясь в состоянии безразличного равновесия, то капля под действием поверхностного натяжения примет шарообразную форму, поскольку среди
всех тел именно шар обладает минимальной площадью поверхности при заданном объёме.
Если молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, контактируют с молекулами твёрдого тела, то поведение жидкости будет зависеть от того, насколько сильно взаимодействуют друг с другом молекулы жидкости и твёрдого тела. Если силы притяжения между молекулами жидкости и твёрдого тела велики, то жидкость будет стремиться растечься по поверхности твёрдого тела. В этом случае говорят, что жидкость хорошо смачивает твёрдое тело (или полностью смачивает его). Примером хорошего смачивания может служить вода, приведённая в контакт с чистым стеклом. Капля воды, помещённая на стеклянную пластинку, сразу же растекается по ней тонким слоем. Именно из-за хорошего смачивания стекла водой и наблюдается поднятие уровня воды в тонких стеклянных трубках. Если же силы притяжения молекул жидкости друг к другу значительно превышают силы их притяжения к молекулам твёрдого тела, то жидкость будет стремиться принять такую форму, чтобы площадь её контакта с твёрдым телом была как можно меньше. В этом случае говорят, что жидкость плохо смачивает твёрдое тело (или полностью не смачивает его). Примером плохого смачивания могут служить капли ртути, помещённые на стеклянную пластинку. Они принимают форму почти сферических капель, немного деформированных из-за действия силы тяжести. Если опустить конец стеклянного капилляра не в воду, а в сосуд с ртутью, то её уровень окажется ниже уровня ртути в сосуде.
Решение.
1. Капля примет форму шара.
2. Все предметы на орбитальной станции находятся в состоянии невесомости, поэтому форма капли будет определяться только поверхностным натяжением. Из-за него капля будет стараться принять такую форму, при которой площадь поверхности будет минимальной, то есть форму шара.
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.
В условиях невесомости вода принимает форму шара.
Можно ли бегать по поверхности воды?
Можно. Чтобы в этом убедиться, посмотрите летом на поверхность любого пруда или озера. По воде не только ходит, но и бегает немало живого и быстрого народца. Если учесть, что площадь опоры лапок у этих насекомых очень мала, то нетрудно понять, что, несмотря на их небольшой вес, поверхность воды выдерживает, не прорываясь, значительное давление.
Может ли вода течь вверх?
Да, может. Это происходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вода вверх по капиллярным сосудам дерева и помогает растению доставлять растворенные питательные вещества на большую высоту - от глубоко скрытых в земле корней к листьям и плодам. Сама движется вода вверх в порах промокательной бумаги, когда вам приходится высушивать кляксу, или в ткани полотенца, когда вытираете лицо. В очень тонких трубочках - в капиллярах - вода может подняться на высоту до нескольких метров.
Чем это объясняется?
Еще одной замечательной особенностью воды - ее исключительно большим поверхностным натяжением.
Поверхностное натяжение воды столь велико? что по ней спокойно могут гулять, как посуху, довольно крупные водяные насекомые, вроде этих.
Молекулы воды на ее поверхности испытывают действие сил межмолекулярного притяжения только с одной стороны, а у воды это взаимодействие аномально велико. Поэтому каждая молекула на ее поверхности втягивается внутрь жидкости. В результате возникает сила, стягивающая поверхность жидкости. У воды она особенно велика: ее поверхностное натяжение составляет 72 дин/см.
Эта сила и придает мыльному пузырю, падающей капле и любому количеству жидкости в условиях невесомости форму шара. Она поддерживает бегающих по поверхности пруда жуков, лапки которых водой не смачиваются. Она поднимает воду в почве, стенки тонких пор и отверстий в ней, наоборот, хорошо смачиваются водой. Вряд ли вообще было бы возможно земледелие, если бы вода не обладала бы этой исключительной особенностью.
Все ли свойства воды понятны ученым?
Конечно, нет! Вода - загадочное вещество. До сих пор ученые не могут еще понять и объяснить очень многие ее свойства. Непонятно, например, почему вода не только изменяет некоторые свойства при воздействии на нее магнитного поля, но и надолго сохраняет эти изменения. В такой воде иначе идут реакции осаждения. Многие соли из обычной воды выпадают при ее испарении в форме плотного осадка, образуя накипь (посмотрите в чайник). «Намагниченная» вода накипи не образует. Почему это так - никто не знает. Но то, что явление это еще не понято и пока не объяснено, нисколько не мешает инженерам с успехом применять его в технике для борьбы с накипью в котлах тепловых электростанций.
Недавно было обнаружено новое загадочное явление. Оказалось, что вода на Земле изменяет свою природу в зависимости от того, что происходит на Солнце и в космосе. Было замечено, что космические причины влияют на характер протекания в воде некоторых химических процессов, например на скорость появления осадков. Почему - неизвестно.
Многие наблюдения и факты говорят о том, что талая вода обладает особыми свойствами - она более благоприятна для развития живых организмов. Почему - тоже неизвестно.
Можно не сомневаться, что все подобные загадки будут успешно разрешены наукой. Будет открыто еще немало новых, более удивительных загадочных свойств воды - самого необыкновенного вещества в мире.
Все ли свойства воды уже перечислены в этой статье?
Нет, к сожалению, далеко не все. Не хватило места даже для наиболее интересных. Но тот, кто захочет подробно познакомиться со всеми свойствами воды, которые уже изучены, сможет это сделать самостоятельно.
Для этого ему нужно будет прочесть во всех научных библиотеках мира все уже вышедшие журналы и книги, где напечатаны научные работы по химии, физике, биологии, физиологии, биохимии, биофизике, геологии, геохимии. Придется изучить и многие работы по астрономии и астрофизике (интересно, есть ли вода на планетах, в межзвездном про-
В условиях невесомости проявляют себя несколько любопытных эффектов, о которых я обещал рассказать в одном из предыдущих сообщений.
Очень интересно рассмотреть, как ведут себя в невесомости две противоположности: вода и пламя.
В обычных земных условиях, на воду (вообще-то, 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 ей, игла может плавать на поверхности воды . Именно благодаря ей, струя воды "слипается" в цилиндр. Эти две силы всегда находятся в равновесии.
Теперь, представим себе, что мы находимся в кабине космического корабля, в невесомости. Все объекты плавают по кабине нашего космического корабля. Не забывайте, что сила тяжести продолжает воздействовать на все объекты вокруг, ведь, (как уже говорилось в одном из предыдущих сообщений) 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.
И тут, главную роль начинают играть силы поверхностного натяжения. 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.
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.
Вообще, жидкости ведут себя в невесомости совсем не так, как на Земле. Вот, что рассказывает об этом космонавт Александр Серебров:
На Земле, чтобы налить воду в бутылку, подставляют горлышко под струю. В космосе в условиях невесомости жидкость не накапливается на дне сосуда, она «плавает» внутри сосуда в виде шаровых капель разного размера. Заполнение сосуда водой вызовет вытеснение из него воздуха и вместе с воздухом будут «выплывать» взвешенные в нем капли воды. Если струю с маленькой скоростью направить сразу на стенку сосуда, то вода, смачивая стенку, будет прилипать к ней и 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. Мной был придуман 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.Совсем уж сложными становятся процедуры связанные с личной гигиеной: обычный душ в невесомости работать не будет. Вернее, будет, но капельки воды не будут стекать в сливное отверстие, а начнут разлетаться по кабине корабля, попадая даже в самые труднодоступные места:) То есть, задача эта - сверхсложная. Однако, в Советском союзе был таки создан космический душ. Душевые кабинки устанавливались на орбитальных станциях Салют-6 и Салют-7. Это были закрытые складные кабинки (чтобы капли не вылетали наружу). Вода вытекала из душа под действием струи сжатого воздуха и так же принудительно всасывалась в сливное отверстие. Однако, устройство признали неэффективным (из за слишком большого расхода воды, которая в космосе "на вес золота"), поэтому на станциях следующего поколения - Мир и МКС, душа нет. Космонавты моются обтираясь специальными влажными полотенцами. Всем нам известные влажные салфетки - самый настоящий продукт космической эры.
А что же пламя? Оно тоже ведёт себя в невесомости совсем не так, как на Земле. Посмотрите на фотографию:
Слева - пламя свечи в обычных условиях, справа - в невесомости. И снова объект нашего рассмотрения стремится принять форму сферы. Почему это происходит на этот раз?
На Земле благодаря воздействию гравитации возникают конвекционные токи, которые, в частности, поднимают вверх раскалённые частички сажи, в результате чего мы и наблюдаем такую форму и цвет пламени. В невесомости конвекционные токи отсутствуют и частички сажи никуда не поднимаются. Пламя свечи принимает форму шара и голубоватый оттенок. Этот цвет обусловлен тем, что материал свечи представляет собой смесь предельных углеводородов, которые при сгорании выделяют водород, который в свою очередь тоже начинает гореть. А горит водород, как раз синим пламенем.
Картинка в посте была отсюда - очень интересной научной статьи о том, какую форму принимает вода в невесомости...
Рис. 1 . Диаграмма стабильности форм капель. По вертикальной оси (оси ординат) отложена безразмерная угловая скорость вращения, по горизонтальной оси (оси абсцисс) — безразмерный момент импульса вращения жидкости капли. . Рис. с сайта physics.aps.org
ТОР - форма воды...
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.
Рис. 1 . Диаграмма стабильности форм капель. По вертикальной оси (оси ординат) отложена безразмерная угловая скорость вращения, по горизонтальной оси (оси абсцисс) — безразмерный момент импульса вращения жидкости капли. Сплошная линия на диаграмме соответствует устойчивой форме капли, пунктирная — нестабильной структуре . Рис. с сайта physics.aps.org
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 ).
Рис. 2 . Схематические рисунки и принцип действия экспериментальной установки, использованной авторами для исследования формы водяных капель (см. пояснения в тексте). Изображения из обсуждаемой статьи
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 .
Рис. 3 . Верхний рисунок — график изменения формы водяной капли объемом 1,5 мл со временем при изменении частоты вращения жидкости. График во вставке — зависимость тока между электродами от времени. Рисунки а-f — последовательность фотографий, показывающих изменение формы водяной капли. Название фотографий (М1, М2, М3, М4) соответствует названиям видеофайлов, демонстрирующих эволюцию формы капли. См. подробности в тексте. Рисунок и фотографии из обсуждаемой статьи
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 . (ТОР - форма вращающегося круга по спирали - Уроборос по Блаватсвкой, упоминается и у Ивана Ефремова, и вообще много где упоминается:) 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.
Рис. 4 . Верхний рисунок — график изменения формы водяной капли объемом 3 мл со временем при изменении частоты вращения жидкости. График во вставке — зависимость тока между электродами от времени. Рисунки а-h — последовательность фотографий, показывающих изменение формы водяной капли. Название фотографий (М5, М6 ... M12) соответствует названиям видеофайлов, демонстрирующих эволюцию формы капли. См. подробности в тексте. Рисунок и фотографии из обсуждаемой статьи
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).
