Kaalutaolekus võtab kuju vedelikutilk. Vee omaduste ebatavalised ilmingud nullgravitatsioonis

17.05.2020

Ümber Maa lendaval orbitaalsel kosmosejaamal viibiv astronaut pigistas kosmosejõul töötavast torust välja vedelikutilga, mis hakkas mööda jaamakabiini ringi lendama. Millise kuju see piisk saab?

Selgitage vastust.

Vedelike pindpinevus

Kui võtta õhuke puhas klaastoru (seda nimetatakse kapillaariks), asetada see vertikaalselt ja kasta selle alumine ots veeklaasi, siis tõuseb torus olev vesi teatud kõrgusele üle klaasi veetaseme. Korrates seda katset erineva läbimõõduga torudega ja erinevate vedelikega, saab kindlaks teha, et vedeliku tõusu kõrgus kapillaaris on erinev. Kitsates torudes tõuseb sama vedelik kõrgemale kui laiades. Samal ajal tõusevad samasse torusse erinevad vedelikud erinevad kõrgused. Nende katsete tulemusi, aga ka mitmeid muid mõjusid ja nähtusi seletatakse vedelike pindpinevusega.

Pindpinevuste ilmnemine on tingitud asjaolust, et vedeliku molekulid võivad suhelda nii üksteisega kui ka teiste kehade molekulidega - tahkete, vedelate ja gaasiliste -, millega nad kokku puutuvad. Selle pinnal olevad vedelad molekulid " eksisteerivad" eritingimustes - nad puutuvad kokku teiste vedelate molekulidega ja teiste kehade molekulidega. Seetõttu saavutatakse vedeliku pinna tasakaal, kui vedeliku pinnal asuvate molekulide ja teiste molekulidega vastastikmõju kõigi jõudude summa kaob. Kui vedeliku pinnal olevad molekulid interakteeruvad valdavalt vedeliku enda molekulidega, siis omandab vedelik kuju, millel on minimaalne vaba pindala. See on tingitud asjaolust, et vedeliku vaba pinna pindala suurendamiseks on vaja vedeliku molekulid selle sügavusest pinnale liigutada, mille jaoks on vaja "lahti lükata" pinnal paiknevad molekulid, st töötada nende vastastikuse tõmbejõudude vastu. Seega on minimaalse vaba pinnaga vedeliku olek energia seisukohalt kõige soodsam. Vedeliku pind käitub nagu venitatud elastne kile – see kipub nii palju kui võimalik kokku tõmbuma. Siit pärineb mõiste "pindpinevus".

Ülaltoodud kirjeldust saab illustreerida Plateau katse abil. Kui asetate tilga aniliini naatriumkloriidi lahusesse, valides lahuse kontsentratsiooni nii, et tilk hõljuks lahuse sees, olles ükskõikses tasakaaluseisundis, võtab pindpinevus mõjul tilk sfääriline kuju, kuna seas

Kõigist kehadest on sfääril antud ruumala minimaalne pindala.

Kui vedeliku pinnal olevad molekulid puutuvad kokku tahke aine molekulidega, siis sõltub vedeliku käitumine sellest, kui tugevalt vedeliku ja tahke aine molekulid omavahel interakteeruvad. Kui vedeliku ja tahke aine molekulide vahelised tõmbejõud on suured, kipub vedelik levima üle tahke aine pinna. Sel juhul öeldakse, et vedelik niisutab tahket ainet hästi (või teeb selle täielikult märjaks). Hea niisutamise näide on puhta klaasiga kokkupuutuv vesi. Klaasplaadile asetatud veetilk levib kohe õhukese kihina üle. Just klaasi hea veega niisutamise tõttu tõuseb veetase õhukestes klaastorudes. Kui vedelate molekulide üksteise külgetõmbejõud ületavad oluliselt nende tõmbejõude tahke keha molekulide suhtes, siis kipub vedelik võtma sellise kuju, et selle kokkupuuteala tahke kehaga on võimalikult väike. Sel juhul öeldakse, et vedelik niisutab tahket keha halvasti (või ei niisuta seda täielikult). Halva märgumise näide on klaasplaadile asetatud elavhõbedapiisad. Need on peaaegu sfääriliste tilkade kujul, mis on gravitatsiooni mõjul veidi deformeerunud. Kui langetate klaaskapillaari otsa mitte vette, vaid elavhõbedaga anumasse, siis on selle tase madalam kui anumas elavhõbeda tase.

Lahendus.

1. Tilk saab palli kujul.

2. Kõik üksused peal orbitaaljaam on kaaluta olekus, nii et tilga kuju määrab ainult pindpinevus. Selle tõttu püüab tilk võtta kuju, mille pindala on minimaalne, see tähendab palli kuju.

Oleme harjunud mõttega, et piisal on palli kuju. Tegelikult pole see peaaegu kunagi pall, kuigi see vorm annab kõige vähem helitugevust.

Horisontaalsele pinnale toetuv tilk on tasandatud. Õhku langev tilk on keerulise kujuga. Ja ainult tilk kaaluta olekus võtab sfäärilise kuju.

The Great Soviet Encyclopedia pakub kiireid fotosid langevatest vihmapiiskadest. Eelkõige on 6 mm läbimõõduga tilk seenekübara kujuga sarnane; väiksema läbimõõduga tilgad on keralähedase kujuga.

Piiskade teket saab kirjeldada kolme iseloomuliku olekuga. Seisund A vastab tilkade tekke algusele: vedeliku pind toru otsas on horisontaalne, selle kõverusraadius on väga suur, pindpinevusjõud on suunatud toru seinaga risti ega takista vedeliku väljavoolu. Lühikese aja pärast läheb tilk olekusse B, mida iseloomustab suurim Laplacia jõud, mis aeglustab tilkade moodustumise kiirust ja sellest tulenevalt ka väljavoolu kiirust. Selles olekus on pinna kõverusraadius r. Seejärel tilga maht suureneb, see läheb üle olekusse C, mis iseloomustab tilkade moodustumise põhistaadiumit: Laplacia jõud on suur, kuid väiksem kui olekus B ja langeb langemise raadiuse suurenedes veelgi; eraldumiseks vajaliku massi kogunemise aeg on suur võrreldes olekust A olekusse B ülemineku ajaga, vooluhulk siiski väheneb.

languse raadius

Langevad vihmapiisad, relatiivsusteooria tõttu mehaaniline liikumine, võib esimese ligikaudsusena asendada tilga hõljumisega tõusvas õhuvoolus.

Kordasime ajakirjas kirjeldatud katset. Meditsiinilise süstla abil viidi tilgad õhujoa sisse. Selleks pandi nõela ots õhujoa sisse ja süstlast aeglaselt vett välja pigistades saadi erineva mahuga tilgad. Niisumisest tingitud tilka võib mõnda aega nõelal hoida. Siinkohal on juba selgelt näha tilkade kuju. Mõne aja pärast murdub tilk nõela otsast ja jääb mõneks sekundiks õhus rippuma. See aeg on piisav, et uurida erineva suurusega tilkade kuju või neid pildistada.

Uuringu käigus selgus, et väikese läbimõõduga tilgad on tõesti pallilähedase kujuga ja suurema läbimõõduga tilgad on kujuga, mis meenutavad seenekübarat.

Tilga rõngaks lagunemise ja rõngaste vastasmõju jälgimine

Otsustasime jälgida tilga lagunemist rõngaks, et kontrollida autorite esitatud andmete paikapidavust tinditilga käitumise kohta veepinnal ja vee sees. Katse käigus registreerisime, et tihedam vedelik kaldub allapoole vastavalt Rayleigh-Taylori ebastabiilsusega kirjeldatud seadustele, koos keeriste moodustumisega.

Selleks kasutasime läbipaistvat klaasnõu, mis oli täidetud veega. Valiti erineva läbimõõduga kapillaarid ja nii saadi erineva raadiusega tilgad.

Tinditilga käitumine sõltub mitmest parameetrist: kui vedelik on suure tihedusega, näiteks lauasoola lahusega või kui tilk langeb suurelt kõrguselt ja tabab suurel kiirusel vedeliku pinda, siis laguneb tükkideks ja ei tungi sügavale vedelikku. Aga kui vedeliku tihedus on veidi väiksem kui tindil ja tilk langeb mitme sentimeetri kõrguselt, siis toimuvad sellega huvitavad muutused.

Kui viite tinditilga ettevaatlikult pinnale ja puudutate seda, tõmbub tilk koheselt vette ja hakkab suurel kiirusel allapoole liikuma. Tilk omandab selle kiiruse vedelate molekulide vastastikuse külgetõmbe toimel. Sel juhul tekkivaid jõude nimetatakse pindpinevusjõududeks, kuna need kipuvad alati vähendama vedeliku vaba pinda, tõmmates selle sisse ja tasandades sellel esinevaid ebatasasusi.

Esmalt kastetakse tinditilk suurel kiirusel vette, kuid siis selle liikumine aeglustub. Selle liikumise põhjuseks on Archimedese jõud, mis peaaegu tasakaalustab gravitatsioonijõudu ning tilga ja seisva vee hõõrdejõudu. Kuna hõõrdejõud mõjub ainult tilga välispinnale, muutub piisk pärast mõne sentimeetri möödumist pöörlevaks rõngaks.

Keerisrõnga moodustumise mehhanism on üsna lihtne: külgpind tilgad aeglustuvad seisvas vees ja hakkavad seest maha jääma. Ebaõnnestunud keskkoha koha hõivab puhas vesi.

Sõrmus ei püsi kaua ideaalselt ümmargune: selle pöörlemine aeglustub, sellele tekivad tursed ja lohud. Seda nähtust nimetatakse Rayleigh-Taylori ebastabiilsuseks, mis tähendab, et kergema vedeliku kihil asetsev raske vedeliku kiht võib olla tasakaalus, kuid see tasakaal on ebastabiilne. Niipea, kui vedelike liides on veidi kõver, tormab raske vedelik süvenditesse ja kerge hakkab hõljuma, suurendades turset. See on täiesti loomulik: vedelikud kipuvad asuma stabiilses tasakaalus, kui kerge on peal ja raske on all.

Joa liikumine seisvas vedelikus meenutab paljuski ühe tilga liikumist: viskoossete jõudude toimel moodustub joa lõppu taas keerisrõngas, mis mõne sekundi pärast, Rayleigh-Taylori ebastabiilsuse mõju tekitab ise 2-3 joa. Seda "pungamise" protsessi korratakse mitu korda, kuni tint jõuab purgi põhja, jättes endast jälje.

Pöörisrõngaste vastasmõju uurides hakkavad nad omavahel suhtlema hetkel, kui need on samal kõrgusel. Võimalikud on kolm juhtumit.

Esimene juhtum – teine ring möödub esimesest ilma seda puudutamata. Sel juhul ilmneb järgmine. Esiteks tõrjuvad mõlema rõnga veevoolud rõngad üksteisest eemale. Teiseks tuvastatakse tindi vool esimesest rõngast teise: teise rõnga veevoolud on intensiivsemad ja kannavad tinti endaga kaasa. Mõnikord läbib osa sellest tindist teise rõnga, mis põhjustab uue väikese rõnga moodustumise. Siis hakkavad rõngad jagunema, midagi huvitavat me edasi ei märganud.

Teine juhtum – teine ring puudutab möödasõidul esimest. Selle tulemusena hävitavad teise rõnga intensiivsemad voolud esimese. Reeglina tekivad esimesest rõngast järelejäänud tindiklombist uued väikesed keerised.

Kolmas juhtum – rõngad kogevad keskmist mõju. Sel juhul läbib teine rõngas esimest ja selle suurus väheneb, samas kui esimene, vastupidi, laieneb. Nagu eelmistel juhtudel, toimub see veevoolude vastastikuse toime tõttu ühest rõngast teise. Tulevikus hakkavad rõngad jagunema.

Nullgravitatsiooni korral võtab vesi palli kuju.

Kas sa suudad veepinnal joosta?

Saab. Selles veendumiseks vaadake suvel mis tahes tiigi või järve pinda. Vee peal mitte ainult ei kõnni, vaid ka jookseb palju elavaid ja kiireid inimesi. Kui arvestada, et nende putukate jalajälg on väga väike, on lihtne aru saada, et vaatamata väikesele kaalule talub veepind läbimurdmata märkimisväärset survet.

Kas vesi võib üles voolata?

Jah võib-olla. Seda juhtub kogu aeg ja igal pool. Vesi ise tõuseb pinnasesse, niisutades kogu maa paksuse põhjavee tasemest. Vesi ise kerkib mööda puu kapillaarsooni ja aitab taimel lahustunud toitaineid suurele kõrgusele toimetada – sügavalt maasse peidetud juurtest kuni lehtede ja viljadeni. Vesi ise liigub kuivatuspaberi poorides, kui peate bloti kuivatama, või rätiku kangas, kui te oma nägu pühite. Väga õhukestes torudes – kapillaarides – võib vesi tõusta kuni mitme meetri kõrgusele.

Mis seda seletab?

Veel üks vee tähelepanuväärne omadus on selle erakordselt kõrge pindpinevus.

Kas vee pindpinevus on nii suur? et üsna suured veeputukad, nagu need, saavad sellel rahulikult kõndida, justkui kuival maal.

Selle pinnal olevad veemolekulid kogevad molekulidevahelise tõmbejõudude mõju ainult ühelt poolt ja vees on see vastastikmõju anomaalselt suur. Seetõttu tõmmatakse iga selle pinnal olev molekul vedelikku. Selle tulemusena tekib jõud, mis pingutab vedeliku pinda. Eriti kõrge on see vee lähedal: selle pindpinevus on 72 dynes/cm.

See jõud annab kaaluta tingimustes seebimullile, langevale tilgale ja mis tahes kogusele vedelikule palli kuju. See toetab tiigi pinnal jooksvaid mardikaid, kelle käpad ei ole veega märjaks. See tõstab pinnasesse vett, õhukeste pooride seinad ja selles olevad augud, vastupidi, on veest hästi märjaks. On ebatõenäoline, et põllumajandus oleks üldse võimalik, kui vees seda erakordset omadust ei oleks.

Kas teadlased mõistavad kõiki vee omadusi?

Muidugi mitte! Vesi on salapärane aine. Seni ei ole teadlased veel suutnud mõista ega selgitada väga paljusid selle omadusi. Näiteks pole selge, miks vesi mitte ainult ei muuda kokkupuutel mõningaid omadusi magnetväli, kuid säilitab need muudatused ka pikka aega. Sellises vees kulgevad sadestumise reaktsioonid erinevalt. Paljud soolad tavalisest veest langevad välja, kui see aurustub tiheda sademena, moodustades katlakivi (vaadake veekeetjasse). "Magnetiseeritud" vesi ei moodusta katlakivi. Miks see nii on - keegi ei tea. Kuid asjaolu, et seda nähtust ei ole veel mõistetud ja seda pole veel selgitatud, ei takista inseneridel seda edukalt rakendamast tehnoloogias, et võidelda soojuselektrijaamade katelde katlakiviga.

Hiljuti avastati uus salapärane nähtus. Selgus, et vesi Maal muudab oma olemust sõltuvalt sellest, mis Päikesel ja kosmoses toimub. Märgiti, et kosmilised põhjused mõjutavad vees teatud keemiliste protsesside voolu olemust, näiteks sademete kiirust. Miks on teadmata.

Paljud tähelepanekud ja faktid näitavad, et sulaveel on erilised omadused – see on elusorganismide arenguks soodsam. Miks on samuti teadmata.

Pole kahtlust, et kõik sellised mõistatused lahendab teadus edukalt. Avastatakse veel palju uusi, hämmastavamaid salapäraseid omadusi vee, maailma kõige erakordsema aine kohta.

Kas kõik vee omadused on selles artiklis juba loetletud?

Ei, kahjuks mitte kõik. Ruumi ei jätkunud ka kõige huvitavamate jaoks. Kuid need, kes soovivad üksikasjalikult tutvuda kõigi juba uuritud vee omadustega, saavad seda ise teha.

Selleks peab ta lugema kõigis maailma teadusraamatukogudes läbi kõik juba ilmunud ajakirjad ja raamatud, kus trükitakse keemia, füüsika, bioloogia, füsioloogia, biokeemia, biofüüsika, geoloogia, geokeemia teaduslikke töid. Peame uurima palju astronoomia ja astrofüüsika töid (huvitav, kas planeetidel, tähtedevahelises ruumis on vett).

Aine agregaat- ja faasiolekud. Aine ruumitingimustes käitumise tunnuste kaalumisel kasutatakse sageli selliseid mõisteid nagu agregaat ja faasi olekud, faas ja komponendid. Defineerime need mõisted.

Aine agregeeritud olekud erinevad molekulide või aatomite soojusliikumise olemuse poolest. Tavaliselt räägitakse kolmest agregatsiooni olekust - gaasilisest, tahkest ja vedelast. Gaasides molekulid peaaegu ei seo atraktiivsete jõududega ja liiguvad vabalt, täites kogu anuma. Kristalliliste tahkete ainete struktuuri iseloomustab kõrge korrastatus – aatomid paiknevad sõlmedes kristallvõre, mille lähedal nad teostavad ainult termilisi vibratsioone. Selle tulemusena on kristallkehadel rangelt piiratud kuju ja kui proovite seda kuidagi muuta, tekivad olulised elastsusjõud, mis sellisele muutusele vastu mõjuvad.

Kristallide kõrval tuntakse ka teist tüüpi tahkeid aineid – amorfseid kehasid. peamine omadus sisemine struktuur amorfsed tahked ained - täieliku korra puudumine: ainult naaberaatomite paigutuses täheldatakse järjekorda, mis asendub nende kaootilise paigutusega üksteise suhtes suurematel vahemaadel. Enamik oluline näide amorfne olek on klaas.

Sama omadus - naaberaatomite paigutuse lühimaakord - omab vedelas agregatsiooni olekus olev aine. Sel põhjusel ei põhjusta vedeliku mahu muutus selles olulisi elastsusjõude ja normaalsetes tingimustes vedelik võtab selle anuma kuju, milles see asub.

Kui aine koosneb mitmest komponendist ( keemilised elemendid või ühendid), siis sõltuvad selle omadused nende komponentide suhtelisest kontsentratsioonist, samuti temperatuurist, rõhust ja muudest parameetritest. Sellise komponentide kombinatsiooni tulemusel tekkiva lõpptoote iseloomustamiseks kasutatakse faasi mõistet. Kui vaadeldav aine koosneb üksteisega külgnevatest homogeensetest osadest, on füüsikalised või Keemilised omadused mis on erinevad, siis selliseid osi nimetatakse faasideks. Näiteks jää ja vee segu on kahefaasiline süsteem ja vesi, milles õhk on lahustunud, on ühefaasiline süsteem, kuna sel juhul puudub komponentide vahel liides.

Faasi olek - mõiste, mis põhineb mõiste "faas" struktuursel esitusel. Aine faasioleku määrab ainult aatomite või molekulide omavahelise paigutuse olemus, mitte nende suhteline liikumine. Kaugema järjestuse olemasolu (täielik järjestus) vastab kristalse faasi olekule, lühiajaline kord - amorfse faasi olekule, korra täielik puudumine - gaasifaasi olekule.

Faasi olek ei pruugi kattuda agregatsiooni olekuga. Näiteks amorfse faasi olek vastab tavalisele vedelale agregatsiooniolekule ja tahkele klaasjas olekule. Agregatsiooni tahke olek vastab kahele faasile - kristalliline ja amorfne (klaasjas).

Riis. 2. Skeemp-t ühekomponendilise süsteemi tasakaal

Aine üleminekut ühest faasiolekust teise nimetatakse faasiüleminekuks ehk transformatsiooniks. Kui aine kaks või enam erinevat faasi teatud temperatuuril ja rõhul eksisteerivad samaaegselt, kokkupuutes üksteisega, siis räägivad need faasitasakaalu. Joonisel fig. Näitena on joonisel 2 kujutatud ühekomponendilise süsteemi faasitasakaalu diagramm, mis on kujutatud koordinaatide rõhu all ( R) - temperatuur ( T). Siin on isobar (st konstantse rõhu sirgjoon) ah vastab otsestele üleminekutele tahke- vedelik (sulamine ja tahkumine) ja vedel - gaas (aurustamine ja kondenseerumine), isobaar s-s- siirdeaine - gaas (sublimatsioon) ja isobaar sisse-sisse- kõigi kolme faasi kooseksisteerimine nn kolmikpunktis teatud väärtuste juures R ja T.

Kaalutatuse mõju vedelikule. Kuidas mõjutab gravitatsioon mateeria käitumist erinevates agregatsiooniseisundites? Tahketes ainetes paiknevad aatomid ja molekulid rangelt määratletud järjekorras ning gravitatsioonijõud ei saa selles olekus toimuvaid protsesse oluliselt mõjutada.

See jõud võib gaasides toimuvaid protsesse oluliselt mõjutada. Näiteks on teada, et atmosfääri erinevate gaasikihtide ebaühtlase kuumutamise tingimustes tekib gravitatsiooni mõjul vaba konvektsioon, st nende kihtide vahel toimub korrapärane gaasivahetus. Kaaluta tingimustes ei pruugi see efekt ilmneda.

Kuid gravitatsioonijõud avaldab vedelikule eriti tugevat mõju. Vedelikus kaaluta olekule üleminekul kaob Archimedese jõud, mis toimib erineva tihedusega komponentidele ja viib nende eraldumiseni, muutub konvektsioonivoogude olemus, suureneb molekulidevaheliste interaktsioonide suhteline roll vedelikus ja muutub võimalikuks vabalt hoidke seda väljaspool anumat (levitatsiooninähtus). Nendel põhjustel vaadelgem üksikasjalikumalt vedelikus toimuvaid protsesse.

Nagu gaasis, ei hoia molekulid vedelikus konstantset asendit, vaid liiguvad soojusenergia toimel kohast teise. Kui vedelikus on mõnes punktis ülekaalus sama tüüpi osakesed, siis sagedasemate omavaheliste kokkupõrgete tõttu liiguvad need järk-järgult tsooni, kus nende kontsentratsioon on väiksem. Seda protsessi nimetatakse difusiooniks. Aja jooksul levimise tõttu t osakesed nihkuvad vahemaa võrra X = (2Dt) 1/2 , kus D- difusioonikoefitsient. Kui vaadelda osakesi raadiusega sfääridena r, siis D = W · (?? r) -üks . Siin W- osakeste soojusenergia, ? on vedeliku viskoossus, mis sõltub suuresti selle temperatuurist. Vedeliku jahutamisel suureneb viskoossus ja vastavalt aeglustuvad difusiooniprotsessid.

Kui sama tüüpi osakeste kontsentratsiooni muutus vahemaa tagant ? x vedeliku sees on ? Koos, siis peab osakeste arv pindalaühiku läbima 1 sekundiga ma = - D? c/? x.

Vedelik võib sisaldada korraga mitut komponenti. Kui mõne komponendi sisaldus on madal, loetakse see komponent lisandiks. Kui alghetkel jaotub lisand vedelikus ebaühtlaselt, siis difusiooniprotsessid vedelikus toovad kaasa ühtlase jaotumise (homogeniseerimise).

Mõnel juhul võib vedelik sisaldada erineva tihedusega komponente. Maal eralduvad need komponendid Archimedese jõu toimel järk-järgult (piimast moodustuvad näiteks koor ja lõss). Kaaluta olekus seda eraldumist ei eksisteeri ja pärast selliste vedelike tahkumist võib saada ainulaadsete omadustega aineid. Vedelik võib sisaldada ka faase, mis ei segune üksteisega, nagu petrooleum ja vesi. Maal kujunevad nende vahele selged piirid. Kaalutaolekus võib segamisel saada stabiilse segu, mis koosneb ühe või teise faasi väikestest tilkadest. Sellistest erinevate faaside segudest saab pärast kõvenemist homogeenseid komposiitmaterjale, vahtmetalle jne.

Liideste tekkimine vedeliku erinevate faaside vahel on seotud pindpinevusjõu ehk kapillaarjõu olemasoluga, mis tekib vedelikumolekulide vahelise vastasmõju tõttu. Pindpinevust võib võrrelda jõuga, mis tagastab nööri algseisundisse, kui mängija proovib seda kõrvale tõmmata. Halvasti suletud kraanist langevad tilgad alla pindpinevusjõud, mitte õhuke veetilk. Kuid Maal on need piisad väikesed: gravitatsioonijõud on palju suurem kui pindpinevusjõud ja purustab liiga suured neist tükkideks. Kaalutaolekus ei saa miski takistada väga suurte tilkade teket ja endasse jäetud vedel keha võtab sfäärilise kuju.

Tegelikult pardal kosmoselaev mitmesuguste väikeste kiirenduste tõttu rikutakse kaaluta olekut. Kui r- sfääri raadius, mille kuju võtab vedelik, siis on sellele mõjuv kapillaarjõud ligikaudu võrdne? r, kus? - pindpinevustegur. Vedelikule mõjuvate inertsiaalsete kehajõudude suurus on võrdne? gr 3 kus? on vedeliku tihedus, g- väike kiirendus. Ilmselt mängivad pindpinevusefektid juhtiv roll, millal? (? gr 2) –1 > 1. See tingimus määrab võimaluse saada kaaluta olekus raadiusega vedelaid kerasid r. Sellised vedelad sfäärid kosmoselaevade pardal võivad olla vabalt hõljuvas olekus, kui nende hoidmiseks pole vaja aluseid. Kui see on vedel sulam, siis Maal tahkudes tulevad anuma seintelt kahjulikud lisandid. Kosmoses saate ilma anumata hakkama ja seega saada rohkem puhtaid aineid.

Soojus- ja massiülekanne kaaluta olekus. Kaalutaolekule üleminek mõjutab oluliselt soojuse ja massiülekande protsesse vedelikes ja gaasides. Soojust saab üle kanda juhtivuse, konvektsiooni või kiirguse või nende mehhanismide mis tahes kombinatsiooni teel. Soojusjuhtivus on soojuse ülekandmine kõrgema temperatuuriga tsoonist madalama temperatuuriga tsooni, difusiooni teel nende tsoonide vahel keskmised molekulid. Sel põhjusel on soojusjuhtivuse koefitsient võrdeline difusioonikoefitsiendiga.

Soojusülekanne kiirgusega on tüüpiline peamiselt tahketele ja vedelatele kehadele ning toimub piisavalt kõrgel temperatuuril. Kiirgussoojusülekande ja soojusjuhtivuse protsessid ei sõltu gravitatsioonist ega kosmoselaeva pardal mõjuvatest väikestest kehajõududest.

Teine asi on konvektiivne soojusülekanne. Konvektsioon on soojuse ülekandmine vedelas või gaasilises keskkonnas selle aine makroskoopilise liikumise teel. Eespool juba mainitud kõige lihtsam näide konvektsioon - vaba (või loomulik) konvektsioon, mis tuleneb temperatuuri ebaühtlasest jaotumisest keskkonnas, mis on allutatud massijõududele (nt gravitatsiooni- või inertsijõud, mis on põhjustatud väikestest kiirendustest kosmoselaeva pardal). Igaüks saab seda nähtust kodus hõlpsasti jälgida igas boileris, kui kõrgema temperatuuriga ja sellest tulenevalt väiksema tihedusega vedelikukihid ujuvad üles ja kannavad soojust endaga kaasas ja asemele, katla kuumale põhjale. , rohkem külmi ja tihedaid kihte.

Vabakonvektsioonist ja soojusjuhtivusest tingitud soojusülekande suhteline roll määratakse Rayleighi numbriga:

Siin g on süsteemile mõjuv kiirendus, L on süsteemi iseloomulik suurus, ? - mahupaisumistegur, ? T- temperatuuri erinevus keskkonnas, ? - soojusjuhtivuse koefitsient, ? - söötme viskoossus. Siit järeldub, et kaaluta seisundile lähenevates tingimustes ( g > 0), Ra> 0 ja sellest tulenevalt võib konvektsiooni rolli, mis viib söötme tõhusa segamiseni, tähelepanuta jätta.

Sellel järeldusel on kahekordne tähendus. Esiteks väheneb konvektsiooni panus soojusülekande protsessidesse ja soojusülekanne toimub aeglasema soojusjuhtivusprotsessi kaudu. Teiseks viib konvektsioonivoolude välistamine keskkonnas selleni, et massiülekandes ei mängi põhirolli mitte aine makroskoopilised nihked, vaid difusiooniprotsessid. Ja see omakorda avab võimaluse saada aineid, milles lisandite jaotus on palju ühtlasem kui Maal.

Lisaks vabale konvektsioonile on veel mitmeid konvektsiooniefekte, millest osad sõltuvad kehajõududest, teised aga mitte. Tuntud on ka sundkonvektsioon, mis tekib mõne välisteguri (näiteks segisti, pumba vms) mõjul. Ruumitingimustes kasutatakse seda tüüpi konvektsiooni, et tagada tööüksustelt vajalik soojuse eemaldamise kiirus.

Kehajõududest mittesõltuva konvektsiooni näitena olgu välja toodud termokapillaarne konvektsioon, mis väljendub selles, et vedelfaasi piiril võivad tekkida ja levida lained. Kapillaarlaineid põhjustavad temperatuurilangused, mille olemasolu tõttu ei ole pindpinevusteguri väärtus piki pinda konstantne. Seda tüüpi konvektsioonivool ilmselgelt ei sõltu g väärtusest ja võib põhjustada ruumitingimustes saadud materjalide homogeensuse halvenemist. Selle efekti kahjulike mõjude kompenseerimiseks on võimalik vähendada tegelikke temperatuuride erinevusi liideses.

Postituse pilt oli siit - väga huvitav teadusartikkel sellest, millise kuju võtab vesi nullgravitatsioonis...

Riis. üks. Tilgakuju stabiilsuse diagramm. Vertikaalne telg (ordinaattelg) näitab mõõtmeteta pöörlemise nurkkiirust ja horisontaaltelg (abstsisstelg) näitab vedeliku tilga mõõtmeteta pöördemomenti. . Riis. saidilt physics.aps.org

TOR on vee vorm...

Nottinghami ülikooli füüsikud viisid läbi rea katseid, et määrata diamagnetilise levitatsiooni abil kosmoses hõljuvate veepiiskade kuju. Näidati, et kl teatud tingimustel tasakaalu tilgad võivad olla mitte ainult sfäärilise või ovaalse kujuga, vaid ka kolmnurkse, nelja- ja isegi viisnurkse kujuga. Uurimistulemusi saab kasutada nii astronoomiliste objektide (mustad augud, Kuiperi vöö) struktuuride selgitamiseks kui ka kiiresti pöörlevate kirjeldamiseks. aatomi tuumad.

Mida vedelikutilk gravitatsiooni puudumisel on palli kujuga, tundub ilmselge, kuid alles 1863. aastal suutis Belgia füüsik Joseph Plateau, kes oli selleks ajaks juba ammu pime, seda fakti katseliselt kinnitada pärast seda, kui ta vaatas korra 25 sekundit keskpäevast päikest. Tõestuseks asetas ta tilga oliiviõli vee ja alkoholi segusse, mis oli õliga sama tihedusega. Tasakaalustades tilgale mõjuva gravitatsioonijõu Archimedese (ujuva) jõuga saavutas teadlane tilga kaaluta oleku. Selliste manipulatsioonide tulemusena sai tilk sfäärilise kuju. Belgia teadlane tegi ka katseid tilga pöörlemise ja selle tagajärjel tekkivate metamorfooside vaatlemisel. Plateau suutis kindlaks teha, et oliiviõli pöörlemiskiiruse kasvades muutis tilk oma kuju sfäärilisest ovaalseks ja muutus seejärel kahepoolseks struktuuriks, mis meenutas tugevalt piklikku ovaali. Ja lõpuks muutus tilk väga suurel pöörlemiskiirusel toruks. Skemaatiliselt on joonisel fig. üks.

Kahjuks ei olnud Plateau katsed täiuslikud ühel lihtsal põhjusel. Keskkonnal, mis tema katsetes uuritavat objekti ümbritses, on viskoossusjõudude mõjul tilga kujule ebasoovitav lisamõju. Seetõttu olid Belgia füüsiku uurimistöö tulemused vaid kvalitatiivset laadi. Ja 150 aastat pärast belglaste katseid on peamiseks takistuseks tilga kuju pöörlemis- ja muutumisprotsessi kvantitatiivse kirjeldamise teel olnud viskoossete hõõrdejõudude mõju.

Viimasel ajal on Plateau katseid korratud kosmoseaparaadis tilga räniõliga. Kuid sellised katsed, nagu on lihtne mõista, pole odav rõõm - ärge käivitage spetsiaalset kosmoselaev. Ja programmid teaduslikud uuringud kosmoses on juba üleküllastunud, mistõttu pole alati aega tilkade uurimiseks. See tähendab, et on vaja valida sellised katsetingimused, et üheaegselt eemaldada nii gravitatsiooni mõju uuritavale objektile kui ka viskoosse keskkonna mõju (näiteks Platoni katsetes on see oliiviõli tilga hõõrdumine ja seda ümbritsev alkoholi ja vee segu).

Nottinghami ülikooli füüsikud on välja pakkunud originaalse viisi raskusjõu kompensatsioon. Nad lahendasid selle probleemi kasutades veepiiskade diamagnetilist levitatsiooni(joonis 2). Nottinghami teadlased avaldasid oma eksperimentaalse uurimistöö tulemused ajakirjas Physics Review Letters artiklis Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet. artikkel on avalikus omandis).

Fakt on see, et mõned ained on oma magnetilisuselt diamagnetid (näiteks sama vesi), see on laseb nõrgalt magnetvälja(ideaalne diamagnet on ülijuht).

Riis. 2. Autorite poolt veepiiskade kuju uurimiseks kasutatud eksperimentaalse seadistuse skemaatilised joonised ja tööpõhimõte (vt selgitusi tekstis). Pildid kõnealusest artiklist

Kuid osaliselt, madalal sügavusel, tungib magnetväli ikkagi diamagnetilise aine sisse ja tekib selle pinnal. elektrit. See vool loob diamagnetis oma magnetvälja, mis justkui tõrjub välisväli. Seega põhjustab välise magnetvälja läbitungimise takistus diamagneteid ruumis rippuma või leviteerima. Kuid tuleb mõista, et diamagnetilise levitatsiooni tekkimiseks peab välisväli olema väga tugev. Katsetes veepiiskadega oli tilkade rippumist põhjustav magnetväli füüsikaliste standardite järgi hiiglaslik – 16,5 T (mitukümmend tuhat korda tugevam kui Maa magnetväli). See on huvitav nii saab leviteerima panna mitte ainult veepiisad, vaid isegi rohutirtsud ja konnad(vaata videot).

Pärast seda, kui gravitatsiooni hävimise probleem on edukalt lahendatud (probleem keskkond see lahendus juba kaob - viskoosne hõõrdumine õhust on tühine), oli vaja välja mõelda mehhanism, mis paneks hõljuvate veepiiskade sees oleva vedeliku pöörlema samamoodi nagu Plateau katsetes. Selle probleemi lahendus osutus samuti "magnetiliseks". Teadlased on loonud "vedel elektrimootor": tilka sisestati kaks peenikest kuldelektroodi, millest üks langes kokku tilga sümmeetriateljega (joonis 2a); Läbi elektroodide juhiti vool, mille voolu suund oli risti välise magnetvälja jõujoontega.

Selle tulemusena pani tekkiv Lorentzi jõumoment tilga sees oleva vedeliku pöörlema ja selle pöörlemise sagedus sõltus elektroodide vahel voolava voolu tugevusest (joonis 2b). "Vedela elektrimootori" huvitav lisaomadus on mitteteljelise (st tilga sümmeetriateljega mitte langeva) elektroodi võime tekitada tilgale väikese amplituudiga pinnalaineid. Miks see vajalik oli, selgub hiljem.

Artikli autorite leiutatud tehnika abil oli võimalik jälgida erinevaid tilkade vorme. Eelkõige siis, kui vedelik pöörleb selliste objektide sees, on teoreetiliste ennustuste kohaselt võimalik jälgida nende üleminekut kahepoolselt vormilt kolmnurkseks (kolmnurkseks) ja viimane struktuur peaks sama teooria kohaselt olema ebastabiilne. . 1,5 ml veetilga (vastab 14 mm läbimõõdule) näitel, mille pindpinevustegur pindaktiivse aine abil poole võrra vähendati, näitasid Briti teadlased esimest korda, et vastupidiselt teoreetilistele ennustustele on see võimalik saavutada kolmnurkse kuju stabiilsus. Stabiliseerimine saavutati tilkade pöörlemise ja sellel pinnalainete tekitamise kombinatsiooniga. Seega mängisid pinnalained veetilga kolmnurkse kuju omamoodi stabilisaatori rolli.

Nagu selgus, võimaldab pinnalainete ergastamine tilgal koos selle pöörlemisega saada märkimisväärset veepiiskade vormide mitmekesisus, mida Platon võib-olla isegi ei teadnud.

Riis. 3. Ülemine joonis on graafik 1,5 ml veetilga kuju muutumisest aja jooksul koos vedeliku pöörlemiskiiruse muutumisega. Lisas olev graafik näitab elektroodide vahelise voolu sõltuvust ajast. Joonised a-f- fotode jada, mis näitab veepiisa kuju muutumist. Fotode nimed (M1, M2, M3, M4) vastavad tilga kuju kujunemist demonstreerivate videofailide nimedele. Üksikasju vaadake tekstist. Joonis ja fotod käsitletavast artiklist

Joonisel fig. Joonisel 3 on kujutatud pindaktiivse aine koostisega 1,5 ml veetilga ajaline areng pöörlemiskiiruse muutumisel (rps on pöörete arv sekundis). Paar märkust diagrammi kohta. Madala pöörlemissageduse ja pinnalainete puudumisel tilgal meenutab selle kuju lapik sferoid(lapakas sferoid) – teisisõnu, tilga kuju ovaalne. Pärast pinnalainete aktiveerumist voolu abil ja vedeliku pöörlemiskiiruse suurenemist tilga sees muutus selle kuju väga piklikuks ovaaliks - teisisõnu, sai kahekohaliseks(punane ala graafikul ja M1b hetktõmmis graafiku all). Graafiku kollane osa vastab alale millal tilk hakkab pöörlema ümber oma telje tahke kehana (tervikuna) ja kui samal ajal pinnalained “kõnnivad” tilkhaaval. Selle tulemusena näeb tilk välja selline, nagu on näidatud fotol M1c – teadlased nimetasid seda tilga kuju kahepoolseks staatiliseks + pöörlevaks.

Voolutugevuse ja pöörlemiskiiruse edasine suurendamine muudab tilga ovaalsest (kahepoolsest) kolmnurkseks(samal ajal ei ole tilga dünaamiline käitumine pooljuht) — haljasala graafikul ja fotol M2. Edasi, kui pinnalained on veetilga sellise struktuuri stabiliseerinud, võib pöörlemiskiirust suurendades saavutada nähtuse, kus piisk hakkab käituma nagu tahke keha – pöörleb tervikuna. (TOR - pöörleva ringi kuju spiraalis - Ouroboros Blavatska järgi, mainib ka Ivan Efremov ja üldiselt mainib seda palju :) Graafikul on see ala näidatud sinisega (vt ka fotot M4). Tähelepanuväärne on üleminekupiirkonna olemasolu, kui piisk just hakkab käituma nagu tahke keha (vt fotot M3). Graafikul vastab selline ala rohelise ja sinise värvi gradatsioonile.

mõnevõrra rikkamaks evolutsiooniline tilk vett mahuga 3 ml avaldub juba ilma pindaktiivsete ainete lisamiseta (joon. 4). Kuni teatud ajani ei erine suurema languse käitumine kvalitatiivselt ülaltoodust. Kuid nagu näha jooniselt fig. 4, katse viiendal minutil monotoonselt suureneva väärtusega nurkkiirus vedeliku pöörlemist, on võimalik jälgida nelja- ja isegi viisnurkset tilka kuju (sinised ja lillad alad graafikul ja fotodel M10 ja M11), mis aga ei käitu nagu tahke keha. Ausalt öeldes märgime, et selline kuju ei ole stabiilne ja laguneb lõpuks kahepoolseks (tugevalt piklik ovaal, foto M12), mille käitumine vastab pöörlevale tahkele kehale.

Siin on zip-arhiivina galerii 12 lühifilmist, mis näitavad Briti teadlaste uuritud veepiiskade arengut. Ülaltoodud fotod M1-M12 on nende filmide jääkaadrid ja vastavad filmide pealkirjadele: videofailidel M1-M4 on näha 1,5 ml tilka, M5-M12 3 ml veetilka.

Riis. 4. Ülemine joonis on graafik 3 ml veetilga kuju muutumisest aja jooksul koos vedeliku pöörlemissageduse muutumisega. Lisas olev graafik näitab elektroodide vahelise voolu sõltuvust ajast. Joonised a-h- fotode jada, mis näitab veepiisa kuju muutumist. Fotode pealkirjad (M5, M6 ... M12) vastavad tilga kuju kujunemist demonstreerivate videofailide pealkirjadele. Üksikasju vaadake tekstist. Joonis ja fotod käsitletavast artiklist

Teadlaste sõnul ei paku katsed veepiiskadega ainult akadeemilist huvi. Kuna tilgakuju stabiliseerumine toimus tänu keeruline interaktsioon selle pöörlemine ja pinnalained sellel, siis saab katsete tulemusi kasutada sarnaste kirjeldamisel füüsikalised nähtused nii palju suuremad (astronoomilised) kui ka väiksemad (tuuma) mastaabid. Näiteks Kuiperi vöö objektide kuju, mustade aukude sündmuste horisonti või kiiresti pöörlevate aatomituumade kuju uurimisel. (Muide, märgime, et idee kasutada aatomituumade omaduste kirjeldamisel "tilga" meetodit on juba üsna vana - piisab, kui meenutada pooleksperimentaalset Weizsäckeri valemit, mis kirjeldab aatomi sidumisenergiat. tuumad; seda väljendit ennast aga teaduse praeguses arengujärgus enam ei kasutata.)

Allikas. R. J. A. Hill, L. Eaves. Magnetiliselt leviva ja pöörleva veepiisa mitteaksisümmeetrilised kujundid (täistekst - PDF, 3,45 Mb, Lisamaterjalid artiklile - PDF, 287 Kb) // Physical Review Letters, 101, 234501 (2008).