Капля или капелька — небольшой столбик жидкости , полностью или почти полностью ограниченный свободными поверхностями . Капля может образоваться, когда жидкость скапливается на конце трубки или на другой границе поверхности, образуя висячую каплю, называемую висячей каплей. Капли также могут образовываться в результате конденсации пара или распыления большей массы твердого вещества . Водяной пар конденсируется в капли в зависимости от температуры. Температура, при которой образуются капли, называется точкой росы .
Жидкость образует капли, поскольку обладает поверхностным натяжением . [1]
Простой способ сформировать каплю — позволить жидкости медленно вытекать из нижнего конца вертикальной трубки небольшого диаметра. Поверхностное натяжение жидкости заставляет жидкость свисать с трубки, образуя подвеску. Когда капля превышает определенный размер, она перестает быть устойчивой и отрывается сама. Падающая жидкость также является каплей, удерживаемой поверхностным натяжением.
Некоторые вещества, которые кажутся твердыми, на самом деле являются чрезвычайно вязкими жидкостями, поскольку они образуют капли и демонстрируют каплевидное поведение. В знаменитых экспериментах с падением пека показано , что смола – вещество, напоминающее твердый битум – таким образом оказывается жидкостью. Смола в воронке медленно образует капли, причем на формирование и разрушение каждой капли уходит около 10 лет.
При испытании на падение с подвески капля жидкости подвешивается на конце трубки или на любой поверхности за счет поверхностного натяжения . Сила поверхностного натяжения пропорциональна длине границы между жидкостью и трубкой, при этом константу пропорциональности обычно обозначают . [2] Поскольку длина этой границы равна длине окружности трубки, сила поверхностного натяжения определяется выражением
где d — диаметр трубы.
Массу m капли, свисающей с конца трубки, можно найти, приравняв силу тяжести ( ) к составляющей поверхностного натяжения в вертикальном направлении ( ), что дает формулу
где α — угол контакта с передней поверхностью трубки, а g — ускорение свободного падения.
Предел этой формулы, когда α достигает 90°, дает максимальный вес висячей капли для жидкости с заданным поверхностным натяжением .
Это соотношение лежит в основе удобного метода измерения поверхностного натяжения, обычно используемого в нефтяной промышленности. Существуют более сложные методы, учитывающие изменение формы кулона по мере роста капли. Эти методы используются, если поверхностное натяжение неизвестно. [3] [4]
Адгезия капли к твердому телу может быть разделена на две категории: латеральная адгезия и нормальная адгезия. Латеральная адгезия напоминает трение (хотя с трибологической точки зрения более точным термином является латеральная адгезия) и относится к силе, необходимой для скольжения капли по поверхности, а именно к силе, которая отрывает каплю от ее положения на поверхности только для того, чтобы перевести ее в другое положение на поверхности. поверхность. Нормальная адгезия — это адгезия, необходимая для отрыва капли от поверхности в нормальном направлении, а именно сила, вызывающая отлет капли от поверхности. Измерение обеих форм адгезии можно выполнить с помощью центробежных весов адгезии (CAB). CAB использует комбинацию центробежных и гравитационных сил для получения любого соотношения поперечных и нормальных сил. Например, он может применить нормальную силу при нулевой боковой силе, чтобы капля отлетела от поверхности в нормальном направлении, или он может вызвать боковую силу при нулевой нормальной силе (имитируя невесомость ) .
Термин « капля» является уменьшительной формой слова «капля» и обычно используется для обозначения жидких частиц диаметром менее 500 мкм. При распылении капли обычно характеризуются их воспринимаемым размером (т.е. диаметром), тогда как доза (или количество инфекционных частиц в случае биопестицидов ) является функцией их объема. Это увеличивается кубической функцией относительно диаметра; таким образом, капля размером 50 мкм представляет собой дозу в 65 пл, а капля размером 500 мкм представляет собой дозу в 65 нанометров.
Капля диаметром 3 мм имеет конечную скорость около 8 м/с. [5] Капли диаметром менее 1 мм достигают 95% своей конечной скорости на расстоянии 2 м . Но при превышении этого размера расстояние, необходимое для достижения конечной скорости, резко увеличивается. Примером может служить капля диаметром 2 мм , которая может достичь этого на высоте 5,6 м . [5]
Из-за разного показателя преломления воды и воздуха на поверхности капель дождя происходит преломление и отражение , что приводит к образованию радуги .
Основным источником звука, когда капля ударяется о поверхность жидкости, является резонанс возбужденных пузырьков, оказавшихся под водой. Эти колеблющиеся пузырьки ответственны за большинство звуков жидкостей, таких как бегущая вода или брызги, поскольку на самом деле они состоят из множества столкновений капель и жидкости. [6] [7]
Уменьшение поверхностного натяжения тела жидкости позволяет уменьшить или предотвратить шум от попадания в него капель. [8] Это предполагает добавление в воду мыла , моющего средства или аналогичного вещества. Сниженное поверхностное натяжение снижает шум от капель.
Классическая форма капли (с заостренным концом в верхней части) возникла в результате наблюдения за каплей, прилипшей к поверхности. Форма капли, падающей через газ, на самом деле более или менее сферическая для капель диаметром менее 2 мм. [9] Капли большего размера имеют тенденцию быть более плоскими в нижней части из-за давления газа, через который они движутся. [10] В результате по мере увеличения капли образуется вогнутая депрессия, которая в конечном итоге приводит к разрушению капли.
Длина капилляра — это коэффициент масштабирования длины, который связывает гравитацию , плотность и поверхностное натяжение и напрямую отвечает за форму, которую примет капля конкретной жидкости. Длина капилляра определяется давлением Лапласа с использованием радиуса капли.
Используя длину капилляра, мы можем определить микрокапли и макрокапли. Микрокапли — это капли с радиусом меньшим, чем длина капилляра, где форма капли определяется поверхностным натяжением, и они образуют более или менее сферическую форму шляпки. Если капля имеет радиус, превышающий длину капилляра, они называются макрокаплями, и гравитационные силы будут доминировать. Макрокапли будут «сплющены» под действием силы тяжести, а высота капли уменьшится. [11]
Размеры дождевых капель обычно варьируются от 0,5 мм до 4 мм, причем распределение по размерам быстро уменьшается после диаметров, превышающих 2-2,5 мм. [12]
Ученые традиционно считали, что изменение размера капель дождя происходит из-за столкновений на пути к земле. В 2009 году французским исследователям удалось показать, что распределение размеров обусловлено взаимодействием капель с воздухом, который деформирует более крупные капли и заставляет их дробиться на более мелкие капли, эффективно ограничивая диаметр самых крупных капель дождя примерно до 6 мм. [13] Однако капли размером до 10 мм (эквивалентны по объему сфере радиусом 4,5 мм) теоретически стабильны и могут подниматься в воздух в аэродинамической трубе. [9] Самая большая зарегистрированная капля дождя имела диаметр 8,8 мм и находилась у основания кучевого облака в окрестностях атолла Кваджалейн в июле 1999 года. Дождевая капля такого же размера была обнаружена над северной Бразилией в сентябре 1995 года. [14]
В медицине это свойство используется для создания капельниц и инфузионных наборов, имеющих стандартизированный диаметр : 1 миллилитр соответствует 20 каплям . Когда необходимы меньшие количества (например, в педиатрии), используются микрокапельницы или педиатрические инфузионные наборы, в которых 1 миллилитр = 60 микрокапель. [15]
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )