Обнаружены новые свойства воздушных пузырьков, возникающих при падении маленьких тел в воду
Падая в воду, стальной шарик увлекает за собой воздушный пузырек. Оказывается, поверхность этого пузырька покрывается рябью с удивительными свойствами.
Течение жидкости, поведение капель, струй и пузырей изучается уже не одно столетие, но несмотря на это новые открытия в гидродинамике регулярно появляются и в наши дни. И для этого не требуется особенно сложное оборудование — порой достаточно взять высокоскоростную видеокамеру и рассмотреть во всех деталях какой-нибудь быстро протекающий процесс.
Очередное исследование такого типа появилось на днях в журнале Physical Review Letters. Ученые из Стэнфордского университета (Stanford University) и Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University) бросали в воду маленькие стальные шарики и снимали происходящее на камеру (использовалась камера Phantom v5.0, Vision Research, в режиме 2000 кадров/сек). Одновременно с этим гидрофоны записывали звуковые сигналы, а также велся мониторинг давления в жидкости.
Наблюдения показали, что, если стальной шарик входит в воду на скорости более 1 м/с, происходит цепь интересных событий. Вначале шарик «выбивает» в воде узкую воздушную воронку. Эта воронка начинает сжиматься и смыкается примерно посередине высоты. Именно в этот момент раздается наиболее громкий «бульк». Нижняя половинка воронки становится после этого длинным и узким воздушным пузырем, который устремляется вниз за шариком.
Всё это было известно и раньше. Однако авторы этой работы заметили и новое интересное явление: на стенках воздушного пузыря отчетливо видна рябь. Самое поразительное ее свойство состоит в том, что воздушный пузырь стремительно движется вниз, вслед за шариком, однако рябь при этом стоит на месте. Это хорошо видно на серии снимков, сделанных через одинаковые промежутки времени и расположенных друг рядом с другом.
Изучив это явление подробнее, авторы обнаружили, что эта рябь начинается строго в тот момент, когда воздушная воронка смыкается, «запечатывая» пузырек воздуха (этому моменту соответствует первый кадр из серии фотографий). Как показали датчики, в это мгновение давление в пузырьке резко повышается, и, по мнению авторов, именно этот удар его дестабилизирует. Более того, обнаружилась связь между скоростью движения шарика, высотой издаваемого звука и длиной волны ряби. Проведенные авторами теоретические расчеты формы пузырька после его «запечатывания» в общих чертах подтверждают эти наблюдения.
Впрочем, на некоторые вопросы у авторов работы пока не нашлось ответа. Например, повторив опыты с маленькими тефлоновыми шариками, авторы с удивлением обнаружили, что рябь в этом случае обладает чрезвычайно странной формой (см. рисунок). Как образуется такая рябь и почему вообще форма ряби должна зависеть от материала, остается пока не понятым.
Источник: T. Grumstrup, J. B. Keller, A. Belmonte. Cavity Ripples Observed during the Impact of Solid Objects into Liquids // Physical Review Letters, 99, 114502 (12 September 2007); статья свободно доступна на сайте одного из авторов (Pdf, 450 Кб).
-
А они еще и в этиловый спирт кидали (вот варвары!), но там разницы особой не заметили. Конечно от материала шарика кое-что зависит. Ну, не коэффициент поверхностного натяжения (это все-таки характеристика границы раздела жидкость-газ), а угол смачивания, и через него -- момент отрыва течения. Но это еще не объясняет хитрой формы ряби.
Тут непонятно вот что. В случае стальных шариков возмущение примерно синусоидально. Т.е. имеется некоторая длина волны, на которой и развивается раньше всего нестабильность. Это вообще очень типичное явление в гидродинамике -- когда нестабильность начинается на какой-то определенной длине волны. В случае тефлонового шарика хитрая форма означает, что либо рябь сразу, одновременно развивается на нескольких длинах волн, либо эта рябь существенно нелинейна, т.е. начальная рябь сразу же теряет синусоидальную форму. И то, и другое -- не вполне стандартно для гидродинамики.-
Если начали извращаться, то тогда можно было взять мыльный раствор. У него поверхностное натяжение вообще пляшет, особо в динамике. Может, чего и нашли бы... Если взялись изучать эффекты на границе, так надо браться основательно - эту самую границу раздела можно настроить.
Или жидкость посолить, ультрафиолетом светить, а то вдруг какое электричество там на тефлоне, в чистой воде и тем более в спирте не рассасывается, на железе разряжается... гадать можно долго.
-
А что тут поразительного, типичная мысля обычного профана, которому лень задуматься.
Ведь за шариком следует газ, который гораздо легче воды, поэтому он просто обтекает эту рябь, практически на неё не влияя.
-
Можете ли Вы объяснить, почему скорость волн на поверхности пузыря получается совпадающей со скоростью движения шарика? Ведь в этом-то все дело. Рябь - это же не какая-то физически существующая преграда, которую обтекает вода, это тоже динамически возникающее явление.
-
-
Я имел в виду то, как это выглядит в системе отсчета, связанной с шариком и пузырьком: там, где они стоят, а волны и обтекающая вода бегут вверх. Но я сейчас вижу, что это будет Вам неубедительно, поэтому вернемся снова в обычную систему отсчета.
Понимаете, волны, стоящие на месте -- это для гидродинамике ненормально. Для обычных капиллярных волн (а волны длиной волны меньше сантиметра уже с хорошей точностью являются капиллярными) есть закон дисперсии, который при заданой длине волны предписывает им бежать с некоторой вполне определенной скоростью. Поэтому то, что в этом эксперименте волны стоят, означает, что их "что-то держит", сами по себе они стоять не будут. Если Вам всё тут понятно, то тогда поясните, что именно их держит?-
Я думаю что скорость шарика намного быстрее волн, поэтому когда он пролетает, ини не успевают много пройти.
И вообще это не волны которые должны двигаться вдоль движения шарика, это результаты его барахтаний.
Это примерно как более медленны шарик двигался бы в цементе, шарик пролетел, а цемент ещё не успел измениться.
Но это моё личное мнение.-
Шарик испытывает колебания в трех направлениях при преодолении сопротивления жидкости. Кроме того, он вращается в различных направлениях. Возможно, то, что мы видим есть интерференционная картина наложения всех этих колебаний, куда главный вклад вносят колебания в вертикальном направлении - соответственно импульс распространяется в горизонталном. А, возможно, период колебаний приблизительно равен 1/2000 сек (частота прерываний камеры).
-
Знаете, может быть, Вы и правы в том, что нет в такой картине ничгео удивительного. Согласно простым оценкам, в том конкретном случае, для которого приведены фото, скорость капиллярных волн получается на порядок меньше скорости шарика. Тем не менее, совершенно непонятно, насколько сильно эта скорость изменится, если учесть замкнутую конфигурацию пузырька. А она очень важная -- до того, как пузырек запечатался, никаких волн не было. Они начали порождаться только в момент запечатывания.
Аналогии с цементом нехорошие. Вы пытаетесь разделить задачу на две слабо взаимодействующие компоненты -- шарик как-то барахтается, а потом что будет с волнами, это же дело десятое. На самом деле здесь все друг на друга воздействует: шарик, обтекание воды, замкнутый пузырек с высоким давлением. Доказательством этого является, еще раз подчеркну, то, что волны начали появляться только в момент запечатывания пузырька.
-
-
-
-
Последние новости
