stringtranslate.com

Капля (жидкость)

Капли воды на листе
Капли воды падают из крана

Капля или капелька — это небольшой столбик жидкости , полностью или почти полностью ограниченный свободными поверхностями . Капля может образоваться, когда жидкость скапливается на конце трубки или другой поверхности, образуя висящую каплю, называемую подвесной каплей. Капли также могут образовываться путем конденсации пара или распыления большей массы твердого тела . Водяной пар будет конденсироваться в капли в зависимости от температуры. Температура, при которой образуются капли , называется точкой росы .

Поверхностное натяжение

Капля воды, отскакивающая от поверхности воды, подверженной вибрации
Поверхностное натяжение препятствует разрезанию капли воды гидрофобным ножом.

Жидкость образует капли, поскольку она проявляет поверхностное натяжение . [1]

Простой способ сформировать каплю — позволить жидкости медленно течь из нижнего конца вертикальной трубки небольшого диаметра. Поверхностное натяжение жидкости заставляет жидкость висеть на трубке, образуя кулон. Когда капля превышает определенный размер, она перестает быть устойчивой и отрывается. Падающая жидкость также является каплей, удерживаемой поверхностным натяжением.

Эксперименты по вязкости и падению тона

Некоторые вещества, которые кажутся твердыми, могут быть показаны как чрезвычайно вязкие жидкости, потому что они образуют капли и демонстрируют капельное поведение. В известных экспериментах с каплями смолы смола — вещество, похожее на твердый битум — таким образом показывается как жидкость. Смола в воронке медленно образует капли, и каждой капле требуется около 10 лет, чтобы сформироваться и оторваться.

Испытание на падение подвески

Иллюстрированное испытание на падение подвески

В испытании на подвесную каплю капля жидкости подвешивается к концу трубки или к любой поверхности с помощью поверхностного натяжения . Сила, вызванная поверхностным натяжением, пропорциональна длине границы между жидкостью и трубкой, причем константа пропорциональности обычно обозначается . [2] Поскольку длина этой границы равна окружности трубки, сила, вызванная поверхностным натяжением, определяется как

где d — диаметр трубки.

Массу m капли, свисающей с конца трубки, можно найти, приравняв силу тяжести ( ) к компоненту поверхностного натяжения в вертикальном направлении ( ), получив формулу

где α — угол контакта с передней поверхностью трубки, а g — ускорение свободного падения.

Предел этой формулы, когда α стремится к 90°, дает максимальный вес висящей капли для жидкости с заданным поверхностным натяжением, .

Это соотношение является основой удобного метода измерения поверхностного натяжения, обычно используемого в нефтяной промышленности. Существуют более сложные методы, учитывающие развивающуюся форму подвески по мере роста капли. Эти методы используются, если поверхностное натяжение неизвестно. [3] [4]

Прилипание капли к твердому телу

Адгезию капли к твердому телу можно разделить на две категории: боковая адгезия и нормальная адгезия. Боковая адгезия напоминает трение (хотя трибологически боковая адгезия является более точным термином) и относится к силе, необходимой для скольжения капли по поверхности, а именно силе, необходимой для отрыва капли от ее положения на поверхности, только чтобы переместить ее в другое положение на поверхности. Нормальная адгезия — это адгезия, необходимая для отрыва капли от поверхности в нормальном направлении, а именно сила, заставляющая каплю отлететь от поверхности. Измерение обеих форм адгезии можно выполнить с помощью весов центробежной адгезии (CAB). CAB использует комбинацию центробежных и гравитационных сил для получения любого соотношения боковых и нормальных сил. Например, он может приложить 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 ).

Капелька

Термин «капля » является уменьшительной формой слова «капля» и в качестве руководства обычно используется для жидких частиц диаметром менее 500 мкм. При распылении капли обычно описываются по их воспринимаемому размеру (то есть диаметру), тогда как доза (или количество инфекционных частиц в случае биопестицидов ) является функцией их объема. Она увеличивается по кубической функции относительно диаметра; таким образом, капля размером 50 мкм представляет собой дозу в 65 пл, а капля размером 500 мкм представляет собой дозу в 65 нанолитрах.

Скорость

Капля диаметром 3 мм имеет конечную скорость приблизительно 8 м/с. [5] Капли диаметром менее 1 мм достигнут 95% своей конечной скорости в пределах 2 м . Но выше этого размера расстояние до достижения конечной скорости резко увеличивается. Примером может служить капля диаметром 2 мм , которая может достичь этого на высоте 5,6 м . [5]

Оптика

Из-за разного показателя преломления воды и воздуха на поверхности капель дождя происходят преломление и отражение , что приводит к образованию радуги .

Звук

Капли, падающие в воду
Проблемы с воспроизведением этого файла? Смотрите справку по медиа .

Основным источником звука при ударе капли о поверхность жидкости является резонанс возбужденных пузырьков, захваченных под водой. Эти колеблющиеся пузырьки отвечают за большинство звуков жидкости, таких как текущая вода или всплески, поскольку они на самом деле состоят из множества столкновений капли с жидкостью. [6] [7]

Предотвращение шума "капающего крана"

Уменьшение поверхностного натяжения тела жидкости позволяет уменьшить или предотвратить шум от попадания в него капель. [8] Это может включать добавление мыла , моющего средства или подобного вещества в воду. Уменьшенное поверхностное натяжение уменьшает шум от капания.

Форма

Капли дождя не имеют формы слезы (Ⓐ); очень маленькие капли дождя имеют почти сферическую форму (Ⓑ), в то время как более крупные капли дождя сплющены у основания (Ⓒ). По мере увеличения размера капель дождя они сталкиваются с все большим сопротивлением воздуха при падении, что делает их нестабильными (Ⓓ); в случае самых больших капель дождя сопротивление воздуха будет достаточным, чтобы разделить их на более мелкие капли дождя (Ⓔ).

Классическая форма, связанная с каплей (с заостренным концом в верхней части), возникает из 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] Более крупные капли, как правило, более плоские в нижней части из-за давления газа, через который они движутся. [10] В результате, по мере того как капли становятся больше, образуется вогнутая впадина, которая приводит к окончательному разрыву капли.

Длина капилляра

Длина капилляра — это масштабный коэффициент длины, который связывает гравитацию , плотность и поверхностное натяжение и напрямую отвечает за форму, которую примет капля определенной жидкости. Длина капилляра вытекает из давления Лапласа , используя радиус капли.

Используя длину капилляра, мы можем определить микрокапли и макрокапли. Микрокапли — это капли с радиусом, меньшим длины капилляра, где форма капли регулируется поверхностным натяжением, и они образуют более или менее сферическую форму колпачка. Если радиус капли больше длины капилляра, они известны как макрокапли, и гравитационные силы будут доминировать. Макрокапли будут «сплющены» гравитацией, и высота капли уменьшится. [11]

Длина капилляра в зависимости от радиуса капли

Размер

Размеры капель дождя обычно составляют от 0,5 мм до 4 мм, причем распределение размеров быстро уменьшается после диаметров более 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, фактически ограничивая диаметр самых крупных капель дождя примерно 6 мм. [13] Однако капли размером до 10 мм (эквивалент по объему сферы радиусом 4,5 мм) теоретически стабильны и могут левитировать в аэродинамической трубе. [9] Самая большая зарегистрированная капля дождя имела диаметр 8,8 мм и находилась у основания кучевого облака в районе атолла Кваджалейн в июле 1999 года. Капля дождя идентичного размера была обнаружена над северной Бразилией в сентябре 1995 года. [14]

Стандартизированные размеры капель в медицине

В медицине это свойство используется для создания капельниц и наборов для внутривенного вливания, которые имеют стандартизированный диаметр , таким образом, что 1 миллилитр эквивалентен 20 каплям . Когда необходимы меньшие количества (например, в педиатрии), используются микрокапельницы или детские наборы для вливания, в которых 1 миллилитр = 60 микрокапель. [15]

Галерея

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Лак, Стив (1998). Американская настольная энциклопедия. Oxford University Press, США. стр. 196. ISBN 978-0-19-521465-9.
  2. ^ Катнелл, Джон Д.; Кеннет У. Джонсон (2006). Основы физики . Wiley Publishing.
  3. ^ Роджер П. Вудворд. "Измерения поверхностного натяжения с использованием метода формы капли" (PDF) . Первые десять ангстрем . Архивировано из оригинала (PDF) 2008-12-17 . Получено 2008-11-05 .
  4. ^ FKHansen; G. Rodsrun (1991). "Поверхностное натяжение по подвесной капле. Быстрый стандартный инструмент, использующий компьютерный анализ изображений". Colloid and Interface Science . 141 (1): 1–12. Bibcode : 1991JCIS..141....1H. doi : 10.1016/0021-9797(91)90296-K.
  5. ^ ab "Численная модель скорости падения капель дождя в симуляторе водопада" (PDF) . 2005-10-04. стр. 2. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-07-31 . Получено 2013-06-28 .
  6. ^ Просперетти, Андреа ; Огуз, Хасан Н. (1993). «Воздействие капель на жидкие поверхности и подводный шум дождя». Annual Review of Fluid Mechanics . 25 : 577–602. Bibcode : 1993AnRFM..25..577P. doi : 10.1146/annurev.fl.25.010193.003045.
  7. ^ Рэнкин, Райан С. (июнь 2005 г.). «Резонанс пузырей». Физика пузырей, антипузырей и всего такого . Получено 09.12.2006 .
  8. ^ Томпсон, Рэйчел (25 июня 2018 г.). «Ученые наконец-то нашли решение для самого раздражающего домашнего звука в мире». Mashable .
  9. ^ ab Pruppacher, HR; Pitter, RL (1971). "Полуэмпирическое определение формы облаков и дождевых капель". Журнал атмосферных наук . 28 (1): 86–94. Bibcode :1971JAtS...28...86P. doi : 10.1175/1520-0469(1971)028<0086:ASEDOT>2.0.CO;2 .
  10. ^ "Water Drop Shape". Архивировано из оригинала 2008-03-02 . Получено 2008-03-08 .
  11. ^ Бертье, Жан (2010). Микрофлюидика для биотехнологии . Зильберзан, Паскаль. (2-е изд.). Бостон: Artech House. ISBN 9781596934443. OCLC  642685865.
  12. ^ Макфаркуар, Грег (2010). «Распределение размеров дождевых капель и эволюция». Осадки: состояние науки . Том 191. стр. 49–60. Bibcode : 2010GMS...191...49M. doi : 10.1029/2010GM000971. ISBN 978-0-87590-481-8. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  13. ^ Эммануэль Виллермо, Бенджамин Босса (сентябрь 2009 г.). "Распределение фрагментации отдельных капель дождя" (PDF) . Nature Physics . 5 (9): 697–702. Bibcode :2009NatPh...5..697V. doi :10.1038/NPHYS1340. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
    • Виктория Гилл (20 июля 2009 г.). «Почему капли дождя бывают разных размеров». BBC News .
  14. ^ Хоббс, Питер В.; Рангно, Артур Л. (июль 2004 г.). «Сверхбольшие капли дождя». Geophysical Research Letters . 31 (13): L13102. Bibcode : 2004GeoRL..3113102H. doi : 10.1029/2004GL020167 .
  15. ^ "Milliliter". www6.dict.cc . Получено 2018-08-30 .

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Drops .