U bestežinskom stanju se oblikuje kap tekućine. Neobične manifestacije svojstava vode u nultoj gravitaciji

17.05.2020

Astronaut, koji se nalazi na orbitalnoj svemirskoj stanici koja leti oko Zemlje, istisnuo je kap tekućine iz cijevi na svemirski pogon, koja je počela letjeti oko kabine stanice. Kakav će oblik poprimiti ovaj pad?

Objasnite odgovor.

Površinska napetost tekućina

Ako uzmete tanku čistu staklenu cijev (zove se kapilara), postavite je okomito i njen donji kraj uronite u čašu s vodom, tada će se voda u cijevi podići na određenu visinu iznad razine vode u čaši. Ponavljanjem ovog pokusa s cijevima različitih promjera i s različitim tekućinama, može se ustanoviti da je visina porasta tekućine u kapilari različita. U uskim cijevima ista tekućina raste više nego u širokim. U isto vrijeme, u istoj cijevi, različite tekućine se dižu do različite visine. Rezultati ovih pokusa, kao i niz drugih učinaka i pojava, objašnjavaju se prisutnošću površinske napetosti u tekućinama.

Pojava površinske napetosti posljedica je činjenice da molekule tekućine mogu međusobno djelovati i s molekulama drugih tijela - čvrstih, tekućih i plinovitih - s kojima su u kontaktu. Molekule tekućine koje se nalaze na njezinoj površini „postoje“ u posebnim uvjetima – u kontaktu su s drugim tekućim molekulama, te s molekulama drugih tijela. Stoga se ravnoteža površine tekućine postiže kada zbroj svih sila interakcije molekula smještenih na površini tekućine s drugim molekulama nestane. Ako molekule na površini tekućine djeluju pretežno s molekulama same tekućine, tada tekućina poprima oblik koji ima minimalnu slobodnu površinu. To je zbog činjenice da je za povećanje površine slobodne površine tekućine potrebno premjestiti molekule tekućine iz njezine dubine na površinu, za što je potrebno "razdvojiti" molekule koje se nalaze na površini, odnosno da vrše rad protiv sila njihovog međusobnog privlačenja. Dakle, stanje tekućine s minimalnom površinom slobodne površine je s energetskog stajališta najpovoljnije. Površina tekućine ponaša se poput rastegnutog elastičnog filma – sklona je što je moguće više skupljanju. Ovo je podrijetlo izraza "površinska napetost".

Gornji opis može se ilustrirati uz pomoć Plateauovog pokusa. Stavite li kap anilina u otopinu natrijevog klorida, birajući koncentraciju otopine tako da kap pliva unutar otopine, u stanju indiferentne ravnoteže, tada će kap pod djelovanjem površinske napetosti poprimiti sfernog oblika, budući da među

Od svih tijela, kugla ima najmanju površinu za dati volumen.

Ako su molekule koje se nalaze na površini tekućine u dodiru s molekulama krutine, tada će ponašanje tekućine ovisiti o tome koliko snažno molekule tekućine i krutine međusobno djeluju. Ako su privlačne sile između molekula tekućine i krutine velike, tada će se tekućina težiti širenju po površini krutine. U ovom slučaju, kaže se da tekućina dobro navlaži krutinu (ili je potpuno navlaži). Primjer dobrog vlaženja je voda dovedena u dodir s čistim staklom. Kap vode stavljena na staklenu ploču odmah se razlije po njoj u tankom sloju. Upravo zbog dobrog vlaženja čaše vodom razina vode raste u tankim staklenim cijevima. Ako sile privlačenja molekula tekućine međusobno značajno premašuju sile njihovog privlačenja molekulama čvrstog tijela, tada će tekućina težiti da poprimi takav oblik da je površina njezina dodira s čvrstim tijelom kao što manjim. U ovom slučaju se kaže da tekućina slabo vlaži čvrsto tijelo (ili ga ne vlaži u potpunosti). Primjer slabog vlaženja su kapljice žive stavljene na staklenu ploču. Imaju oblik gotovo sfernih kapi, blago deformiranih zbog djelovanja gravitacije. Ako kraj staklene kapilare spustite ne u vodu, već u posudu sa živom, tada će njezina razina biti niža od razine žive u posudi.

Riješenje.

1. Kap će poprimiti oblik lopte.

2. Sve stavke uključene orbitalna stanica nalaze se u bestežinskom stanju, pa će oblik kapi odrediti samo površinska napetost. Zbog nje će kapljica pokušati poprimiti oblik u kojem će površina biti minimalna, odnosno oblik lopte.

Navikli smo na ideju da kap ima oblik lopte. Zapravo, gotovo nikad nije lopta, iako ovaj oblik daje najmanji volumen.

Kap koja počiva na vodoravnoj površini je spljoštena. Kap koja pada u zrak ima složen oblik. I samo kap u bestežinskom stanju poprima sferni oblik.

Velika sovjetska enciklopedija pruža trenutne fotografije padajućih kapi kiše. Konkretno, kap promjera 6 mm ima oblik blizak obliku klobuka gljive; kapljice manjeg promjera imaju oblik blizak kugli.

Nastanak kapljica može se opisati s tri karakteristična stanja. Stanje A odgovara početku stvaranja kapljica: površina tekućine na kraju cijevi je horizontalna, polumjer zakrivljenosti joj je vrlo velik, sile površinske napetosti usmjerene su okomito na stijenku cijevi i ne sprječavaju istjecanje tekućine. Nakon kratkog vremena, kap prelazi u stanje B, koje karakterizira najveća Laplacianova sila, koja usporava brzinu stvaranja kapi, a time i istjecanja. U tom stanju, polumjer zakrivljenosti površine r. Tada se volumen kapi povećava, prelazi u stanje C, što karakterizira glavni stupanj formiranja kapi: Laplacianova sila je velika, ali manja nego u stanju B, i dalje opada s povećanjem polumjera kapi; vrijeme nakupljanja mase potrebne za odvajanje je veliko u usporedbi s vremenom prijelaza iz stanja A u stanje B, brzina protoka se i dalje smanjuje.

polumjer pada

Padaju kapi kiše, zbog relativnosti mehaničko kretanje, može se, kao prva aproksimacija, zamijeniti lebdenjem kapljice u uzlaznom strujanju zraka.

Ponovili smo eksperiment opisan u časopisu. Kapi su stavljene u zračni mlaz pomoću medicinske šprice. Da biste to učinili, kraj igle je stavljen u mlaz zraka i, polako istiskujući vodu iz štrcaljke, dobivale su se kapi različitih volumena. Kapi se zbog vlaženja mogu neko vrijeme zadržati na igli. U ovom trenutku već se jasno može uočiti oblik kapi. Nakon nekog vremena, kap se odlomi od vrha igle i visi u zraku nekoliko sekundi. Ovo vrijeme je dovoljno da se ispitaju oblici kapljica različitih veličina ili da se fotografiraju.

Tijekom istraživanja pokazalo se da kapi malog promjera stvarno imaju oblik blizak lopti, a kapi većeg promjera imaju oblik koji podsjeća na klobuk gljive.

Promatranje raspadanja kapi u prsten i međudjelovanja prstenova

Odlučili smo promatrati raspadanje kapi u prsten kako bismo provjerili valjanost podataka koje su autori iznijeli o ponašanju kapi tinte na površini i unutar vode. Tijekom eksperimenta zabilježili smo da gušća tekućina teži prema dolje prema zakonima koji su opisani Rayleigh-Taylorovom nestabilnošću, uz stvaranje vrtloga.

Za to smo koristili prozirnu staklenu posudu, koja je bila napunjena vodom. Odabrane su kapilare različitih promjera i tako su dobivene kapi različitih polumjera.

Ponašanje kapi tinte ovisi o nekoliko parametara: ako tekućina ima veliku gustoću, na primjer, otopina kuhinjske soli, ili ako kap padne s velike visine i velikom brzinom udari u površinu tekućine, tada lomi se u komadiće i ne prodire duboko u tekućinu. Ali ako je gustoća tekućine nešto manja od gustoće tinte, a kap padne s visine od nekoliko centimetara, tada se s njom događaju zanimljive transformacije.

Ako pažljivo donesete kapljicu tinte na samu površinu i dodirnete je, tada će se kap odmah uvući u vodu i početi se kretati prema dolje velikom brzinom. Kap dobiva ovu brzinu pod djelovanjem međusobnog privlačenja tekućih molekula. Sile koje nastaju u ovom slučaju nazivaju se silama površinske napetosti jer uvijek nastoje smanjiti slobodnu površinu tekućine, uvlačeći je i izravnavajući sve neravnine na njoj.

Najprije se kapljica tinte velikom brzinom uroni u vodu, ali se zatim njezino kretanje usporava. Razlog za ovo kretanje je Arhimedova sila, koja gotovo uravnotežuje silu gravitacije i silu trenja između kapi i mirne vode. Budući da sila trenja djeluje samo na vanjsku površinu kapi, nakon što prođe nekoliko centimetara, kap se pretvara u rotirajući prsten.

Mehanizam formiranja vrtložnog prstena je prilično jednostavan: bočna površina kapi se usporavaju na mirnoj vodi i počinju zaostajati za unutrašnjošću. Mjesto neuspjele sredine zauzima čista voda.

Prsten ne ostaje dugo savršeno okrugao: njegova se rotacija usporava, a na njemu se pojavljuju otekline i udubljenja. Taj se fenomen naziva Rayleigh-Taylorova nestabilnost, što znači da sloj teške tekućine koji leži na sloju lakše tekućine može biti u ravnoteži, ali će ta ravnoteža biti nestabilna. Čim je sučelje tekućina lagano zakrivljeno, teška tekućina će juriti u udubljenja, a lagana će početi plutati, povećavajući oticanje. To je potpuno prirodno: tekućine imaju tendenciju zauzeti položaj stabilne ravnoteže, kada je svjetlo na vrhu, a teško na dnu.

Gibanje mlaza u nepokretnoj tekućini po mnogo čemu podsjeća na gibanje jedne kapi: pod djelovanjem viskoznih sila na kraju mlaza ponovno nastaje vrtložni prsten koji za nekoliko sekundi ispod djelovanje Rayleigh-Taylorove nestabilnosti, sam će generirati 2-3 mlaza. Ovaj proces "pupanja" ponavlja se nekoliko puta sve dok tinta ne dođe do dna limenke, ostavljajući za sobom trag.

Prilikom proučavanja interakcije vrtložnih prstenova, u trenutku kada su na istoj visini, oni počinju međusobno djelovati. Moguća su tri slučaja.

Prvi slučaj - drugi prsten prestiže prvi bez dodirivanja. U ovom slučaju događa se sljedeće. Prvo, tokovi vode iz oba prstena, takoreći, odbijaju prstenove jedan od drugog. Drugo, detektira se protok tinte iz prvog prstena u drugi: tokovi vode drugog prstena su intenzivniji i nose tintu zajedno sa sobom. Ponekad dio ove tinte prolazi kroz drugi prsten, što uzrokuje stvaranje novog malog prstena. Tada se prstenovi počinju dijeliti, dalje nismo mogli primijetiti ništa zanimljivo.

Drugi slučaj - drugi prsten pri pretjecanju dodiruje prvi. Kao rezultat toga, intenzivniji tokovi drugog prstena uništavaju prvi. U pravilu nastaju novi mali vrtlozi od ugruška tinte koji je ostao od prvog prstena.

Treći slučaj - prstenovi doživljavaju središnji utjecaj. U ovom slučaju, drugi prsten prolazi kroz prvi i smanjuje se u veličini, dok se prvi, naprotiv, širi. Kao iu prethodnim slučajevima, to se događa zbog međusobnog djelovanja vodenih tokova iz jednog prstena u drugi. U budućnosti se prstenovi počinju dijeliti.

U slučaju nulte gravitacije, voda poprima oblik lopte.

Možete li trčati po površini vode?

Limenka. Da biste se u to uvjerili, ljeti pogledajte površinu bilo kojeg ribnjaka ili jezera. Po vodi ne samo da hoda, već i trči puno živahnih i brzih ljudi. Ako uzmemo u obzir da je otisak ovih insekata vrlo mali, lako je razumjeti da, unatoč njihovoj maloj težini, površina vode može izdržati značajan pritisak bez probijanja.

Može li voda teći prema gore?

Da možda. To se događa stalno i svugdje. Sama voda diže se u tlo, vlažeći cijelu debljinu zemlje od razine podzemne vode. Sama voda uzdiže se kapilarnim žilama stabla i pomaže biljci da isporuči otopljene hranjive tvari na veliku visinu - od korijena duboko skrivenog u zemlji do lišća i plodova. Voda se sama pomiče u pore papira za upijanje kada morate osušiti mrlju ili u tkaninu ručnika kada obrišete lice. U vrlo tankim cijevima - u kapilarama - voda se može popeti na visinu i do nekoliko metara.

Što to objašnjava?

Još jedna izvanredna značajka vode je njena iznimno visoka površinska napetost.

Je li površinska napetost vode tako visoka? da dosta veliki vodeni kukci, poput ovih, mogu mirno hodati po njemu, kao po suhom.

Molekule vode na njezinoj površini doživljavaju djelovanje sila međumolekularnog privlačenja samo s jedne strane, a u vodi je ta interakcija anomalno velika. Stoga je svaka molekula na njegovoj površini uvučena u tekućinu. Kao rezultat toga, javlja se sila koja zateže površinu tekućine. Posebno je visok u blizini vode: površinska napetost mu je 72 dyna/cm.

Ova sila daje mjehuru od sapunice, kapi koja pada i bilo kojoj količini tekućine u bestežinskim uvjetima oblik lopte. Podržava kornjaše koji trče po površini ribnjaka, čije šape nisu navlažene vodom. Podiže vodu u tlu, zidovi tankih pora i rupa u njemu, naprotiv, dobro su navlaženi vodom. Malo je vjerojatno da bi poljoprivreda uopće bila moguća da voda nema tu izuzetnu osobinu.

Razumiju li znanstvenici sva svojstva vode?

Naravno da ne! Voda je tajanstvena tvar. Do sada znanstvenici još ne mogu razumjeti i objasniti mnoga njegova svojstva. Nije jasno, na primjer, zašto voda ne mijenja samo neka svojstva kada je izložena magnetsko polje, ali i zadržava te promjene dulje vrijeme. U takvoj vodi se drugačije odvijaju reakcije taloženja. Mnoge soli iz obične vode ispadaju kada ispari u obliku gustog taloga, tvoreći kamenac (pogledajte u kotliću). "Magnetizirana" voda ne stvara kamenac. Zašto je to tako - nitko ne zna. No, činjenica da ovaj fenomen još nije shvaćen i još nije objašnjen ni najmanje ne sprječava inženjere da ga uspješno primjene u tehnologiji za suzbijanje kamenca u kotlovima termoelektrana.

Nedavno je otkriven novi misteriozni fenomen. Pokazalo se da voda na Zemlji mijenja svoju prirodu ovisno o tome što se događa na Suncu i u svemiru. Uočeno je da kozmički uzroci utječu na prirodu tijeka određenih kemijskih procesa u vodi, na primjer, na brzinu oborina. Zašto je nepoznato.

Mnoga zapažanja i činjenice pokazuju da otopljena voda ima posebna svojstva - povoljnija je za razvoj živih organizama. Zašto je također nepoznato.

Nema sumnje da će sve takve zagonetke znanost uspješno riješiti. Bit će otkriveno još mnogo novih, nevjerojatnijih tajanstvenih svojstava vode, najneobičnije tvari na svijetu.

Jesu li sva svojstva vode već navedena u ovom članku?

Ne, nažalost ne svi. Nije bilo dovoljno mjesta ni za one najzanimljivije. Ali oni koji se žele detaljno upoznati sa svim svojstvima vode koja su već proučena, moći će to učiniti sami.

Da bi to učinio, morat će pročitati u svim znanstvenim knjižnicama svijeta sve časopise i knjige koje su već objavljene, u kojima se tiskaju znanstveni radovi iz kemije, fizike, biologije, fiziologije, biokemije, biofizike, geologije, geokemije. Morat ćemo proučiti mnoga djela iz astronomije i astrofizike (pitam se ima li vode na planetima, u međuzvjezdanom prostoru).

Agregatna i fazna stanja tvari. Kada se razmatraju značajke ponašanja tvari u svemirskim uvjetima, često se koriste koncepti kao što su agregatna i fazna stanja, faza i komponente. Definirajmo ove pojmove.

Agregatna stanja tvari razlikuju se po prirodi toplinskog gibanja molekula ili atoma. Obično govore o tri agregatna stanja - plinovitom, krutom i tekućem. U plinovima molekule gotovo nisu vezane privlačnim silama i slobodno se kreću, ispunjavajući cijelu posudu. Strukturu kristalnih čvrstih tvari karakterizira visoka urednost – atomi se nalaze u čvorovima kristalna rešetka, u blizini koje izvode samo toplinske vibracije. Kao rezultat toga, kristalna tijela imaju strogo ograničen oblik, a kada ga pokušate nekako promijeniti, pojavljuju se značajne elastične sile koje se suprotstavljaju takvoj promjeni.

Uz kristale, poznata je i druga vrsta čvrstih tijela - amorfna tijela. glavna značajka unutarnja struktura amorfne čvrste tvari - odsutnost potpunog reda: samo se u rasporedu susjednih atoma opaža red, koji se zamjenjuje njihovim kaotičnim rasporedom međusobno na većim udaljenostima. Najviše važan primjer amorfno stanje je staklo.

Isto svojstvo – poredak kratkog dometa u rasporedu susjednih atoma – posjeduje tvar u tekućem agregacijskom stanju. Iz tog razloga promjena volumena tekućine ne uzrokuje pojavu značajnih elastičnih sila u njoj, a u normalnim uvjetima tekućina poprima oblik posude u kojoj se nalazi.

Ako se tvar sastoji od nekoliko komponenti ( kemijski elementi ili spojeva), tada njegova svojstva ovise o relativnoj koncentraciji ovih komponenti, kao i o temperaturi, tlaku i drugim parametrima. Za karakterizaciju konačnog proizvoda koji proizlazi iz takve kombinacije komponenti, koristi se koncept faze. Ako se tvar koja se razmatra sastoji od homogenih dijelova koji se međusobno spajaju, fizički ili Kemijska svojstva koji su različiti, onda se takvi dijelovi nazivaju fazama. Primjerice, mješavina leda i vode je dvofazni sustav, a voda u kojoj je otopljen zrak je jednofazni sustav, jer u ovom slučaju nema sučelja između komponenti.

Fazno stanje - koncept koji se temelji na strukturnom prikazu pojma "faza". Fazno stanje tvari određeno je samo prirodom međusobnog rasporeda atoma ili molekula, a ne njihovim relativnim gibanjem. Prisutnost dugog dometa (potpuni red) odgovara kristalnom faznom stanju, kratkog dometa - amorfnom faznom stanju, potpuna odsutnost reda - plinovitom faznom stanju.

Fazno stanje ne mora se podudarati sa stanjem agregacije. Na primjer, amorfno fazno stanje odgovara običnom tekućem agregacijskom stanju i čvrstom staklastom stanju. Čvrsto agregacijsko stanje odgovara dvije faze - kristalnoj i amorfnoj (staklastoj).

Riža. 2. Dijagramp-t ravnoteža jednokomponentnog sustava

Prijelaz tvari iz jednog faznog stanja u drugo naziva se fazni prijelaz ili transformacija. Ako dvije ili više različitih faza tvari na danoj temperaturi i tlaku postoje istovremeno, u međusobnom kontaktu, onda govore o faznoj ravnoteži. Na sl. Kao primjer, slika 2 prikazuje dijagram fazne ravnoteže jednokomponentnog sustava ucrtan u koordinatama tlaka ( R) - temperatura ( T). Ovdje je izobara (tj. ravna linija konstantnog tlaka) Ah odgovara izravnim prijelazima čvrsta- tekućina (taljenje i skrućivanje) i tekućina - plin (isparavanje i kondenzacija), izobara s-s- prijelaz kruto - plin (sublimacija), i izobara u-u- suživot sve tri faze u tzv. trostrukoj točki, na određenim vrijednostima R i T.

Utjecaj bestežinskog stanja na tekućinu. Kako gravitacija utječe na ponašanje tvari u različitim agregacijskim stanjima? U čvrstim tijelima atomi i molekule su raspoređeni u strogo definiranom redoslijedu, a sila gravitacije ne može imati značajan utjecaj na procese koji se odvijaju u tom stanju.

Ova sila može značajnije utjecati na procese u plinovima. Poznato je, na primjer, da u uvjetima neravnomjernog zagrijavanja različitih slojeva plina u atmosferi, pod djelovanjem gravitacije nastaje slobodna konvekcija, tj. uređena izmjena plina između tih slojeva. U bestežinskim uvjetima, ovaj učinak možda neće nastupiti.

No, gravitacijska sila ima posebno snažan učinak na tekućinu. Tijekom prijelaza u bestežinsko stanje u tekućini, Arhimedova sila nestaje, djelujući na komponente različite gustoće i dovode do njihovog razdvajanja, mijenja se priroda konvekcijskih tokova, povećava se relativna uloga međumolekularnih interakcija u tekućini i postaje moguće slobodno zadržati ga izvan posude (fenomen levitacije). Iz tih razloga, razmotrimo detaljnije procese koji se odvijaju u tekućini.

Kao i u plinu, molekule u tekućini ne održavaju stalan položaj, već se zbog toplinske energije kreću s mjesta na mjesto. Ako u bilo kojoj točki tekućine prevladavaju čestice iste vrste, onda zbog češćih sudara jedna s drugom postupno prelaze u zonu gdje je njihova koncentracija niža. Taj se proces naziva difuzija. Zbog difuzije tijekom vremena tčestice su pomaknute za udaljenost x = (2Dt) 1/2 , gdje D- koeficijent difuzije. Ako čestice promatramo kao kugle polumjera r, onda D = W · (?? r) -jedan . Ovdje W- toplinska energija čestica, ? je viskoznost tekućine, koja jako ovisi o njezinoj temperaturi. Kada se tekućina ohladi, viskoznost se povećava i, sukladno tome, usporavaju se procesi difuzije.

Ako promjena koncentracije čestica iste vrste na udaljenosti ? x unutar tekućine je ? S, tada broj čestica mora proći kroz jediničnu površinu u 1 s ja = - D? c/? x.

Tekućina može sadržavati nekoliko komponenti u isto vrijeme. Ako je sadržaj jedne od komponenti nizak, tada se ova komponenta smatra nečistoćom. Ako je u početnom trenutku nečistoća neravnomjerno raspoređena u tekućini, tada difuzijski procesi u tekućini dovode do uspostavljanja jednolike raspodjele (homogenizacije).

U nekim slučajevima tekućina može sadržavati komponente različite gustoće. Na Zemlji se pod djelovanjem Arhimedove sile te komponente postupno odvajaju (npr. od mlijeka nastaju vrhnje i obrano mlijeko). U bestežinskom stanju ovo odvajanje ne postoji, a nakon skrućivanja takvih tekućina mogu se dobiti tvari jedinstvenih svojstava. Tekućina također može sadržavati faze koje se međusobno ne miješaju, kao što su kerozin i voda. Na Zemlji se između njih formiraju jasne granice. U bestežinskom stanju, miješanjem se može dobiti stabilna smjesa koja se sastoji od malih kapi jedne ili druge faze. Nakon stvrdnjavanja iz takvih smjesa različitih faza mogu se dobiti homogeni kompozitni materijali, pjenasti metali itd.

Pojava sučelja između različitih faza u tekućini posljedica je prisutnosti sile površinske napetosti, odnosno kapilarne sile, koja nastaje zbog interakcije između molekula tekućine. Površinska napetost može se usporediti sa silom koja vraća strunu u prvobitno stanje kada je igrač pokuša povući u stranu. To je sila površinske napetosti koja uzrokuje da kapljice padaju iz loše zatvorene slavine, a ne tanak mlaz vode. Ali na Zemlji su te kapi male: sila gravitacije mnogo je veća od sila površinske napetosti i lomi ih prevelike na komade. U bestežinskom stanju ništa ne može spriječiti stvaranje vrlo velikih kapi, a tekuće tijelo, prepušteno samo sebi, poprimit će sferni oblik.

Zapravo na brodu letjelica zbog raznih vrsta malih ubrzanja narušava se stanje bestežinskog stanja. Ako r- polumjer kugle, čiji oblik poprima tekućina, tada je kapilarna sila koja djeluje na nju približno jednaka? r, gdje? - koeficijent površinske napetosti. Veličina inercijskih tjelesnih sila koje djeluju na tekućinu jednaka je? gr 3 gdje? je gustoća tekućine, g- malo ubrzanje. Očito će se igrati efekti površinske napetosti vodeća uloga, kada? (? gr 2) –1 > 1. Ovaj uvjet određuje mogućnost dobivanja, u stanju blizu bestežinskog stanja, tekućih sfera polumjera r. Takve tekuće sfere na letjelicama mogu biti u slobodnom plutajućem stanju, kada plovila nisu potrebna za njihovo držanje. Ako je to tekuća talina, onda kada se skrutne na Zemlji, štetne nečistoće dolaze sa stijenki posude. U svemiru možete bez posude i stoga dobiti više čistih tvari.

Prijenos topline i mase u bestežinskom stanju. Prijelaz u bestežinsko stanje također ima značajan utjecaj na procese prijenosa topline i mase u tekućinama i plinovima. Toplina se može prenositi vođenjem, konvekcijom ili zračenjem ili bilo kojom kombinacijom ovih mehanizama. Toplinska vodljivost je proces prijenosa topline iz zone s višom temperaturom u zonu gdje je temperatura niža, difuzijom srednjih molekula između tih zona. Zbog toga je koeficijent toplinske vodljivosti proporcionalan koeficijentu difuzije.

Prijenos topline zračenjem tipičan je uglavnom za čvrsta i tekuća tijela i događa se pri dovoljno visokim temperaturama. Procesi prijenosa topline zračenja i provođenja topline ne ovise ni o gravitaciji ni o malim tjelesnim silama koje djeluju na letjelicu.

Druga stvar je konvektivni prijenos topline. Konvekcija je prijenos topline u tekućem ili plinovitom mediju makroskopskim kretanjem tvari tog medija. Već gore spomenuto najjednostavniji primjer konvekcija - slobodna (ili prirodna) konvekcija koja proizlazi iz neravnomjerne raspodjele temperature u mediju podložnom djelovanju sila mase (na primjer, gravitacijskih ili inercijskih sila uzrokovanih malim ubrzanjima na brodu letjelice). Svatko može lako primijetiti ovu pojavu kod kuće u bilo kojem kotlu, kada će slojevi tekućine koje imaju višu temperaturu i, kao rezultat toga, nižu gustoću isplivati i nositi toplinu sa sobom, a na svom mjestu, na vrućem dnu kotla , više hladnih i gušćih slojeva.

Relativna uloga prijenosa topline zbog slobodne konvekcije i toplinske vodljivosti određena je Rayleighovim brojem:

Ovdje g je akceleracija koja djeluje na sustav, L je karakteristična veličina sustava, ? - koeficijent volumetrijske ekspanzije, ? T- temperaturna razlika u okolini, ? - koeficijent toplinske vodljivosti, ? - viskoznost medija. Otuda slijedi da u uvjetima koji se približavaju bestežinskom stanju ( g > 0), Ra> 0, te se, posljedično, može zanemariti uloga konvekcije koja dovodi do učinkovitog miješanja medija.

Ovaj zaključak ima dvostruko značenje. Prvo, doprinos konvekcije procesima prijenosa topline se smanjuje, a prijenos topline se provodi sporijim procesom provođenja topline. Drugo, isključenje konvekcijskih struja u mediju dovodi do činjenice da glavnu ulogu u prijenosu mase neće igrati makroskopski pomaci materije, već procesi difuzije. A to, pak, otvara mogućnost dobivanja tvari u kojima će raspodjela nečistoća biti mnogo ujednačenija nego na Zemlji.

Osim slobodne konvekcije, postoji niz drugih učinaka konvekcije, od kojih neki ovise o tjelesnim silama, dok drugi ne. Poznata je i prisilna konvekcija koja nastaje pod utjecajem nekog vanjskog čimbenika (npr. mješalica, pumpa i sl.). U svemirskim uvjetima, ova vrsta konvekcije se koristi kako bi se osigurala potrebna brzina odvođenja topline iz radnih jedinica.

Kao primjer konvekcije koja ne ovisi o tjelesnim silama, navedimo termokapilarnu konvekciju, koja se izražava u činjenici da valovi mogu nastajati i širiti se na granici tekuće faze. Kapilarni valovi nastaju zbog padova temperature, zbog čije prisutnosti vrijednost koeficijenta površinske napetosti nije konstantna duž površine. Ova vrsta konvekcijskog strujanja očito ne ovisi o vrijednosti g i može dovesti do pogoršanja homogenosti materijala dobivenih u svemirskim uvjetima. Način kompenzacije štetnih učinaka ovog učinka je smanjenje stvarnih temperaturnih razlika duž sučelja.

Slika u postu je odavde - vrlo zanimljiv znanstveni članak o tome kakav oblik voda poprima u nulti gravitaciji...

Riža. jedan. Dijagram stabilnosti oblika kapljice. Vertikalna os (os ordinata) prikazuje bezdimenzionalnu kutnu brzinu rotacije, a horizontalna os (os apscise) prikazuje bezdimenzionalni kutni moment rotacije kapljice tekućine. . Riža. sa fizike.aps.org

TOR je oblik vode...

Fizičari sa Sveučilišta Nottingham proveli su niz eksperimenata kako bi odredili oblik kapljica vode suspendiranih u svemiru pomoću dijamagnetske levitacije. Pokazalo se da kod određenim uvjetima kapi u ravnoteži mogu imati ne samo sferni ili ovalni oblik, već i trokutasti, četverokutni, pa čak i peterokutni. Rezultati istraživanja mogu se koristiti i za objašnjenje strukture astronomskih objekata (crne rupe, Kuiperov pojas) i za opisivanje brzo rotirajućih objekata. atomske jezgre.

Što kap tekućine u odsustvu gravitacije ima oblik lopte, čini se očitim, ali tek je 1863. godine belgijski fizičar Joseph Plateau, koji je u to vrijeme već odavno bio slijep, mogao eksperimentalno potvrditi ovu činjenicu, nakon što je jednom 25 sekundi zurio u podnevno sunce. Za dokaz je stavio kap maslinovog ulja u mješavinu vode i alkohola, koja je imala istu gustoću kao i ulje. Uravnotežavajući silu gravitacije koja djeluje na kap s Arhimedovom (uzgojnom) silom, znanstvenik je postigao stanje bestežinskog stanja kapi. Kao rezultat takvih manipulacija, kap je dobila sferni oblik. Belgijski znanstvenik također je proveo eksperimente s rotacijom kapi i promatranjem metamorfoza koje se s njom događaju kao rezultat toga. Plateau je uspio utvrditi da, kako se brzina rotacije maslinovog ulja povećavala, kap je promijenila svoj oblik iz sfernog u ovalni, a zatim se transformirala u bipartitnu strukturu nalik snažno izduženom ovalu. I konačno, pri vrlo velikoj brzini rotacije, kap je postala torus. Shematski, promjena oblika kapi s povećanjem brzine rotacije tekućine u njoj prikazana je na Sl. jedan.

Nažalost, Plateauovi eksperimenti nisu bili savršeni iz jednog jednostavnog razloga. Medij koji je u njegovim pokusima okruživao predmet koji se proučava, zbog sila viskoznosti, ima nepoželjan dodatni učinak na oblik kapi. Stoga su rezultati istraživanja belgijskog fizičara bili samo kvalitativne prirode. I već 150 godina od pokusa Belgijanca, glavna prepreka na putu kvantitativnog opisa procesa rotacije i transformacije oblika kapljice bio je utjecaj sila viskoznog trenja.

U novije vrijeme, Plateauovi eksperimenti su ponovljeni u svemirskoj letjelici s kapljicom silikonskog ulja. Ali takvi eksperimenti, kao što je lako razumjeti, nisu jeftino zadovoljstvo - nemojte pokrenuti poseban svemirski brod. I programi znanstveno istraživanje u svemiru su već prezasićeni, pa nema uvijek vremena za proučavanje kapljica. To znači da je potrebno odabrati takve eksperimentalne uvjete kako bi se istovremeno otklonio i učinak gravitacije na predmet koji se proučava i efekti viskoznog okruženja (u Platonovim pokusima, na primjer, to je trenje između kapi maslinovog ulja i mješavina alkohola i vode koja ga okružuje).

Fizičari sa Sveučilišta u Nottinghamu predložili su originalan način kompenzacija gravitacije. Oni su riješili ovaj problem koristeći dijamagnetsku levitaciju kapljica vode(slika 2). Znanstvenici iz Nottinghama objavili su rezultate svog eksperimentalnog istraživanja u časopisu Physics Review Letters u članku Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet ( članak je u javnom vlasništvu).

Činjenica je da neke tvari po svojoj magnetskoj prirodi su dijamagneti (na primjer, ista voda), to je slabo pušten u magnetsko polje(idealni dijamagnet je supravodič).

Riža. 2. Shematski crteži i princip rada eksperimentalne postavke kojom su autori proučavali oblik kapljica vode (vidi objašnjenja u tekstu). Slike iz predmetnog članka

Međutim, djelomično, do male dubine, magnetsko polje i dalje prodire u dijamagnetsku tvar i stvara na njezinoj površini struja. Ova struja stvara vlastito magnetsko polje u dijamagnetu, koje, takoreći, odbija vanjsko polje. Dakle, otpor prodiranju vanjskog magnetskog polja uzrokuje da dijamagneti vise ili levitiraju u prostoru. Ali mora se shvatiti da za pojavu dijamagnetske levitacije vanjsko polje mora biti vrlo jako. U eksperimentima s kapljicama vode, magnetsko polje koje uzrokuje visenje kapi bilo je gigantsko prema fizičkim standardima - 16,5 T (nekoliko desetaka tisuća puta jače od Zemljinog magnetskog polja). Zanimljivo je to na ovaj način ne mogu se natjerati da levitiraju samo kapljice vode, već čak i skakavci i žabe(pogledajte video).

Nakon što je problem uništenja gravitacije uspješno riješen (problem okoliš ovo rješenje već nestaje – viskozno trenje iz zraka je zanemarivo), bilo je potrebno smisliti mehanizam koji bi tekućinu unutar suspendiranih kapljica vode rotirao na isti način kao u Plateauovim pokusima. Rješenje ovog problema također se pokazalo "magnetskim". Znanstvenici su stvorili "tekući elektromotor": u kap su umetnute dvije tanke zlatne elektrode od kojih se jedna poklapala s osi simetrije kapi (slika 2a); Kroz elektrode je propuštena struja čiji je smjer toka bio okomit na linije sile vanjskog magnetskog polja.

Kao rezultat toga, nastali moment Lorentzove sile uzrokovao je rotaciju tekućine unutar kapi, a frekvencija te rotacije ovisila je o jačini struje koja teče između elektroda (slika 2b). Zanimljiva dodatna značajka "tekućeg elektromotora" je sposobnost ne-aksijalne (to jest, koja se ne podudara s osi simetrije kapi) elektrode da stvara površinske valove male amplitude na kapi. Zašto je to bilo potrebno, bit će jasno kasnije.

Uz pomoć tehnike koju su izumili autori članka, bilo je moguće promatrati različite oblike kapljica. Konkretno, kada tekućina rotira unutar takvih objekata, prema teorijskim predviđanjima, moguće je promatrati njihov prijelaz iz dvodijelnog oblika u trokutasti (trokutasti) oblik, a potonja bi struktura, kako predviđa ista teorija, trebala biti nestabilna. . Na primjeru vodene kapi od 1,5 ml (odgovara promjeru od 14 mm), u kojoj je koeficijent površinske napetosti prepolovljen uz pomoć surfaktanta, britanski znanstvenici su prvi put pokazali da je, suprotno teorijskim predviđanjima, moguće postići stabilnost trokutastog oblika. Stabilizacija je postignuta kombinacijom rotacije kapljice i generiranja površinskih valova na njoj. Tako su površinski valovi igrali ulogu svojevrsnog stabilizatora trokutastog oblika vodene kapi.

Kako se pokazalo, pobuđivanje površinskih valova na kapljici, zajedno s njezinom rotacijom, omogućuje dobivanje značajnog raznolikost oblika vodenih kapi, koje Platon, možda, nije ni poznavao.

Riža. 3. Gornja slika je graf promjene oblika kapi vode od 1,5 ml tijekom vremena s promjenom brzine rotacije tekućine. Grafikon u umetku prikazuje ovisnost struje između elektroda o vremenu. Slike a-f- slijed fotografija koje prikazuju promjenu oblika vodene kapi. Nazivi fotografija (M1, M2, M3, M4) odgovaraju nazivima video datoteka koje pokazuju evoluciju oblika kapljice. Za detalje pogledajte tekst. Crtež i fotografije iz članka o kojem se raspravlja

Na sl. Slika 3 prikazuje vremensku evoluciju kapi vode od 1,5 ml s surfaktantom u svom sastavu kako se mijenja brzina rotacije (rps je broj okretaja u sekundi). Nekoliko napomena o grafikonu. Pri niskoj frekvenciji rotacije i odsutnosti površinskih valova na kapi, njegov oblik podsjeća na spljošteni sferoid(splošni sferoid) - drugim riječima, oblik kapljice ovalni. Nakon što su se površinski valovi aktivirali uz pomoć struje, a brzina rotacije tekućine unutar kapljice nastavila rasti, njezin se oblik transformirao u jako izduženi oval – drugim riječima, postao dvosupnik(crveno područje na grafikonu i snimak M1b ispod grafikona). Žuti dio grafikona odgovara području kada kap počinje rotirati oko svoje osi kao čvrsto tijelo (kao cjelina) i kada u isto vrijeme površinski valovi “hodaju” kap po kap. Kao rezultat toga, kap izgleda kao da je prikazana na fotografiji M1c - znanstvenici su ovaj oblik kapi nazvali bipartitni statičan + rotirajući.

Daljnje povećanje jačine struje i brzine rotacije pretvara kap iz ovalnog (dvodijelnog) u trokutasti(istovremeno, dinamičko ponašanje kapi nije u čvrstom stanju) - zelena površina na grafikonu i fotografija M2. Nadalje, kada su površinski valovi stabilizirali takvu strukturu vodene kapi, povećanjem brzine rotacije može se postići pojava u kojoj se kap počinje ponašati kao čvrsto tijelo – rotira se kao cjelina. (TOR - oblik rotirajućeg kruga u spirali - Ouroboros prema Blavatskoj, spominje i Ivan Efremov, a općenito se puno spominje :) Na grafikonu je ovo područje prikazano plavom bojom (vidi i fotografiju M4). Zanimljivo je postojanje prijelaznog područja, kada se kap tek počinje ponašati kao čvrsto tijelo (vidi fotografiju M3). Na grafikonu takvo područje odgovara stupnjevanju zelene i plave boje.

nešto bogatiji u evolucijski kap vode zapremine 3 ml već se očituje bez dodatka tenzida (slika 4). Do određenog vremena ponašanje većeg pada ne razlikuje se kvalitativno od prethodno razmatranog. Međutim, kao što se može vidjeti iz Sl. 4, u petoj minuti eksperimenta s monotonim porastom kutna brzina Tijekom rotacije tekućine moguće je uočiti četverokutni, pa čak i peterokutni oblik kapi (plava i ljubičasta područja na grafikonu i fotografijama M10 i M11), koja se, međutim, ne ponaša kao čvrsto tijelo. Pošteno radi, napominjemo da takav oblik nije stabilan i na kraju se degenerira u bipartitni oblik (jako izduženi oval, fotografija M12), čije ponašanje odgovara rotirajućem čvrstom tijelu.

Ovdje se, u obliku zip arhive, nalazi galerija od 12 kratkih filmova koji prikazuju evoluciju kapljica vode koju su proučavali britanski znanstvenici. Gornje fotografije M1-M12 su zamrznuti okviri ovih filmova i odgovaraju naslovima filmova: video datoteke M1-M4 pokazuju kap od 1,5 ml, M5-M12 pokazuju kap vode od 3 ml.

Riža. 4. Gornja slika je graf promjene oblika vodene kapi od 3 ml tijekom vremena s promjenom frekvencije rotacije tekućine. Grafikon u umetku prikazuje ovisnost struje između elektroda o vremenu. Brojke a-h- slijed fotografija koje prikazuju promjenu oblika vodene kapi. Naslovi fotografija (M5, M6 ... M12) odgovaraju naslovima video datoteka koje prikazuju razvoj oblika kapljice. Za detalje pogledajte tekst. Crtež i fotografije iz članka o kojem se raspravlja

Eksperimenti s kapljicama vode, prema znanstvenicima, nisu samo od akademskog interesa. Budući da je do stabilizacije oblika kapljice došlo zbog složena interakcija njegove rotacije i površinskih valova na njemu, onda se rezultati pokusa mogu koristiti u opisu sličnih fizičke pojave i mnogo veće (astronomske) i manje (nuklearne) razmjere. Na primjer, kada se proučava oblik objekata Kuiperovog pojasa, horizont događaja crnih rupa ili kada se proučava oblik brzo rotirajućih atomskih jezgri. (Usput, napominjemo da je ideja o korištenju pristupa "kapljice" u opisivanju karakteristika atomskih jezgri već prilično stara - dovoljno je podsjetiti se na polueksperimentalnu Weizsäckerovu formulu, koja opisuje energiju vezanja atomske jezgre; međutim, sam ovaj izraz više se ne koristi u sadašnjem stupnju razvoja znanosti.)

Izvor. R. J. A. Hill, L. Eaves. Neoksimetrični oblici magnetno levitirane i vrteće se kapljice vode (cijeli tekst - PDF, 3,45 Mb, Dodatni materijali uz članak - PDF, 287 Kb) // Physical Review Letters, 101, 234501 (2008).