Капля (жидкость)

Капля капля или , полностью — небольшой столбик жидкости 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 или распыления конденсации пара большей массы твердого вещества . Водяной пар конденсируется в капли в зависимости от температуры. Температура, при которой образуются капли, называется точкой росы .

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение предотвращает разрезание капли воды гидрофобным ножом.

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.

Эксперименты с вязкостью и падением смолы

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.

Испытание подвески на падение

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 $\gamma$ . ^[2] Поскольку длина этой границы равна длине окружности трубки, сила поверхностного натяжения определяется выражением

\,F_{\gamma }=\pi d\gamma

где d — диаметр трубы.

Массу m капли, свисающей с конца трубки, можно найти, приравняв силу тяжести ( $F_{g}=mg$ ) с составляющей поверхностного натяжения в вертикальном направлении ( $F_{\gamma }\sin \alpha$ ) давая формулу

\,mg=\pi d\gamma \sin \alpha

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: $\gamma$ .

\,mg=\pi d\gamma

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]

Уменьшите адгезию к твердому телу

капли Адгезия 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 ).

Капелька

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 нанолитров.

Скорость

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]

Оптика

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

Звук

Капли капают в воду

Проблемы с воспроизведением этого файла? См. справку для СМИ .

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]

Предотвращение шума «капающего крана»

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.

Форма

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 впадина, которая в конечном итоге приводит к разрушению капли.

Длина капилляра

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]

Размер

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 (что эквивалентно по объему сфере радиусом 4,5 мм) теоретически устойчивы 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]

Стандартизированные размеры капель в медицине

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 детские инфузионные наборы, в которых 1 миллилитр = 60 микрокапель. ^[15]

Галерея

Синий краситель бросают в блюдце с молоком
Воздействие капли воды
Backjet от удара падения
Капли дождя ударяются и капают вниз
Капля воды, ударяющаяся о металлическую поверхность, и образование коронки из-за разбрызгивания капли.
Капля воды ударяется о влажную металлическую поверхность и выбрасывает новые капли, которые становятся каплями воды и скользят по поверхности воды.
Капля воды на листе, гидрофобный эффект , частичное смачивание.
Тройная обратная струя после удара
Фотография капли дождя на ветке папоротника
Отсоединение капли
Капли воды, образующиеся из насадки для душа
Капля воды на астровых
Капли воды преломляют маленький цветок
Капля дождя на листе
Капли воды на стекле
Капли воды в фонтане, как видно на очень короткой выдержке
Капли дождя на розы листе
Поток дождевой воды из навеса. Среди сил, управляющих образованием капель: поверхностное натяжение , сцепление , сила Ван-дер-Ваальса , неустойчивость Плато-Релея .

См. также

Ссылки

^ Удачи, Стив (1998). Американская настольная энциклопедия . Издательство Оксфордского университета, США. п. 196. ИСБН 978-0-19-521465-9 .
^ Катнелл, Джон Д.; Кеннет В. Джонсон (2006). Основы физики . Издательство Уайли.
^ Роджер П. Вудворд. «Измерения поверхностного натяжения методом формы капли» (PDF) . Первые десять ангстрем . Архивировано из оригинала (PDF) 17 декабря 2008 г. Проверено 5 ноября 2008 г.
^ Ф.К.Хансен; Г. Родсрун (1991). «Поверхностное натяжение подвесной каплей. Быстрый стандартный прибор, использующий компьютерный анализ изображений». Коллоид и наука о интерфейсах . 141 (1): 1–12. Бибкод : 1991JCIS..141....1H . дои : 10.1016/0021-9797(91)90296-К .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Численная модель скорости падения капель дождя в симуляторе водопада» (PDF) . 04.10.2005. п. 2. Архивировано из оригинала (PDF) 31 июля 2013 г. Проверено 28 июня 2013 г.
^ Просперетти, Андреа ; Огуз, Хасан Н. (1993). «Воздействие капель на жидкие поверхности и подводный шум дождя». Ежегодный обзор механики жидкости . 25 : 577–602. Бибкод : 1993АнРФМ..25..577П . дои : 10.1146/annurev.fl.25.010193.003045 .
^ Рэнкин, Райан К. (июнь 2005 г.). «Пузырьковый резонанс» . Физика пузырей, антипузырей и всего такого . Проверено 9 декабря 2006 г.
^ Томпсон, Рэйчел (25 июня 2018 г.). «Ученые наконец нашли решение проблемы самого раздражающего домашнего звука в мире» . Машаемый .
^ Перейти обратно: ^а ^б Пруппахер, HR; Питтер, Р.Л. (1971). «Полуэмпирическое определение формы облаков и капель дождя» . Журнал атмосферных наук . 28 (1): 86–94. Бибкод : 1971ДжАтС...28...86П . doi : 10.1175/1520-0469(1971)028<0086:ASEDOT>2.0.CO;2 .
^ «Форма капли воды» . Архивировано из оригинала 02 марта 2008 г. Проверено 8 марта 2008 г.
^ Бертье, Жан (2010). Микрофлюидика для биотехнологии . Зильберзан, Паскаль. (2-е изд.). Бостон: Артех Хаус. ISBN 9781596934443 . OCLC 642685865 .
^ Макфаркуар, Грег (2010). «Распределение размеров дождевых капель и эволюция». Осадки: состояние науки . Том. 191. стр. 49–60. Бибкод : 2010GMS...191...49M . дои : 10.1029/2010GM000971 . ISBN 978-0-87590-481-8 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
^
Эммануэль Виллермо, Бенджамин Босса (сентябрь 2009 г.). «Однокапельное фрагментарное распределение капель дождя» (PDF) . Физика природы . 5 (9): 697–702. Бибкод : 2009NatPh...5..697V . дои : 10.1038/NPHYS1340 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
- Виктория Гилл (20 июля 2009 г.). «Почему капли дождя бывают разных размеров» . Новости Би-би-си .
^ Хоббс, Питер В.; Рангно, Артур Л. (июль 2004 г.). «Очень большие капли дождя» . Письма о геофизических исследованиях . 31 (13): L13102. Бибкод : 2004GeoRL..3113102H . дои : 10.1029/2004GL020167 .
^ «Миллилитр» . www6.dict.cc. Проверено 30 августа 2018 г.

Внешние ссылки

Liquid Sculpture – картинки капель
Liquid Art - Галереи изобразительных художественных фотографий капель (архивировано 19 марта 2008 г.)
(Сильно различающиеся) расчеты потерь воды из капающего крана: [1] , [2] ( Архивировано 13 августа 2009 г. в Wayback Machine )

[1] Удачи, Стив (1998). Американская настольная энциклопедия . Издательство Оксфордского университета, США. п. 196. ИСБН 978-0-19-521465-9 .

[2] Катнелл, Джон Д.; Кеннет В. Джонсон (2006). Основы физики . Издательство Уайли.

[3] Роджер П. Вудворд. «Измерения поверхностного натяжения методом формы капли» (PDF) . Первые десять ангстрем . Архивировано из оригинала (PDF) 17 декабря 2008 г. Проверено 5 ноября 2008 г.

[4] Ф.К.Хансен; Г. Родсрун (1991). «Поверхностное натяжение подвесной каплей. Быстрый стандартный прибор, использующий компьютерный анализ изображений». Коллоид и наука о интерфейсах . 141 (1): 1–12. Бибкод : 1991JCIS..141....1H . дои : 10.1016/0021-9797(91)90296-К .

[uvasim-5] Перейти обратно: ^а ^б «Численная модель скорости падения капель дождя в симуляторе водопада» (PDF) . 04.10.2005. п. 2. Архивировано из оригинала (PDF) 31 июля 2013 г. Проверено 28 июня 2013 г.

[6] Просперетти, Андреа ; Огуз, Хасан Н. (1993). «Воздействие капель на жидкие поверхности и подводный шум дождя». Ежегодный обзор механики жидкости . 25 : 577–602. Бибкод : 1993АнРФМ..25..577П . дои : 10.1146/annurev.fl.25.010193.003045 .

[7] Рэнкин, Райан К. (июнь 2005 г.). «Пузырьковый резонанс» . Физика пузырей, антипузырей и всего такого . Проверено 9 декабря 2006 г.

[8] Томпсон, Рэйчел (25 июня 2018 г.). «Ученые наконец нашли решение проблемы самого раздражающего домашнего звука в мире» . Машаемый .

[Pruppacher_1971_86–94-9] Перейти обратно: ^а ^б Пруппахер, HR; Питтер, Р.Л. (1971). «Полуэмпирическое определение формы облаков и капель дождя» . Журнал атмосферных наук . 28 (1): 86–94. Бибкод : 1971ДжАтС...28...86П . doi : 10.1175/1520-0469(1971)028<0086:ASEDOT>2.0.CO;2 .

[10] «Форма капли воды» . Архивировано из оригинала 02 марта 2008 г. Проверено 8 марта 2008 г.

[11] Бертье, Жан (2010). Микрофлюидика для биотехнологии . Зильберзан, Паскаль. (2-е изд.). Бостон: Артех Хаус. ISBN 9781596934443 . OCLC 642685865 .

[12] Макфаркуар, Грег (2010). «Распределение размеров дождевых капель и эволюция». Осадки: состояние науки . Том. 191. стр. 49–60. Бибкод : 2010GMS...191...49M . дои : 10.1029/2010GM000971 . ISBN 978-0-87590-481-8 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )

[13] Эммануэль Виллермо, Бенджамин Босса (сентябрь 2009 г.). «Однокапельное фрагментарное распределение капель дождя» (PDF) . Физика природы . 5 (9): 697–702. Бибкод : 2009NatPh...5..697V . дои : 10.1038/NPHYS1340 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
Виктория Гилл (20 июля 2009 г.). «Почему капли дождя бывают разных размеров» . Новости Би-би-си .

[14] Виктория Гилл (20 июля 2009 г.). «Почему капли дождя бывают разных размеров» . Новости Би-би-си .

[14] Хоббс, Питер В.; Рангно, Артур Л. (июль 2004 г.). «Очень большие капли дождя» . Письма о геофизических исследованиях . 31 (13): L13102. Бибкод : 2004GeoRL..3113102H . дои : 10.1029/2004GL020167 .

[15] «Миллилитр» . www6.dict.cc. Проверено 30 августа 2018 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]