какую форму принимает любая жидкость в невесомости

Необычные проявления свойств воды в невесомости

Необычные физические свойства жидкостей проявляются не только в условиях научной лаборатории, но и в реальной жизни. Наблюдать удивительное поведение воды можно и на Земле, и в космосе. При этом не имеет особого значения, из какого источника взята вода: из колодца, скважины для воды, озера, реки или моря. Пробы воды, набранные из разных источников, будут отличаться химическим составом, а проявление физических качеств останутся неизменными.

Поведение воды при воздействии силы тяжести

На воду, как и на любую другую жидкость, налитую в какую-либо емкость, под влиянием земной гравитации действует сила притяжения, которая прижимает жидкость ко дну сосуда. В то же время присутствуют силы поверхностного натяжения, заставляющие воду занимать как можно меньший объем. Эти силы позволяют налить воды в сосуд чуть больше, чем позволяет его объем. Вода как будто собирается шапкой над краями стенок. Выливаться ей не дает сила поверхностного натяжения.

Действие этой силы можно наблюдать, когда положенная на поверхность воды иголка остается плавать. Еще одно проявление силы поверхностного натяжения проявляется, когда вода выливается из наклоненного сосуда: струя воды всегда принимает форму цилиндра. При наличии гравитации сила поверхностного натяжения и сила тяжести всегда уравновешены.

Вода на орбите

Все тела в космическом корабле, находящемся на орбите планеты, пребывают в состоянии невесомости. Поэтому на воду в салоне космического аппарата в большей степени начинает действовать сила поверхностного натяжения. Известно, что шар, как геометрическое тело, обладает наименьшей площадью поверхности при одинаковом с другими телами объеме. Следовательно, вода, вылитая из сосуда в условиях невесомости, соберется в шарики и будет плавать в воздухе, так как не имеет веса.

Кстати, вода, налитая в бутылку, также «плавает» в ней в виде множества шариков и капель, и заполнение бутылки водой полностью вызовет определенные затруднения: наливаемая вода будет вытеснять из бутылки воздух вместе с шариками воды. В бутылке останется только та вода, которая прилипнет к стенкам. Стоит отметить, что в салоне космического корабля отсутствует душ, потому что выливающаяся из душевой лейки вода, само собой разумеется, не вытечет в сливное отверстие, а будет разлетаться шариками по душевой кабине. Вместо душа в гигиенических целях космонавты используют влажные полотенца, ставшие прототипами всем известным влажным салфеткам.

А знаете ли вы.

Орбитальные станции «Салют» были оборудованы душем: вода в кабинку подавалась вместе со струей сжатого воздуха, а потом всасывалась как пылесосом в слив. Технология была признана нерентабельной из-за значительного расхода воды, и современную МКС душевыми кабинками не оснастили.

Источник

Какую форму принимает любая жидкость в невесомости

Капли жидкости образуютс в основном:
— при истечении жидкости из отверстия,
— при стекании ее с края поверхности,
— при распылении жидкости,
— конденсации пара на несмачиваемых поверхностях.

Форма капли определяется действием внешних сил и сил поверхностного натяжения.

.

Причем в условиях невесомости любой объем жидкости принимает строго сферическую форму.

Крупные капли в земных условиях принимают форму шара только в том случае, когд плотности жидкости и окружающей ее среды одинаковы. Падающие капли дождя имеют обычно несколько сплюснутую форму, поскольку испытывают одновременно влияние силы тяжести встречного воздушного потока и сил поверхностного натяжения.

На космической станции космонавтами был проведен опыт по сварке в невесомости. Нет ничего удобнее для капли, чем быть взвешенной в пространстве, в невесомости: ни с чем она не соприкасается, никакие силы ее не искажают и ни к каким изменениям она не стремится. Процесс сварки в космосе был запечатлен на кинопленке. Оказалось, что на кончике электрода формируется большая, почти сферическая, капля жидкого металла, существенно больше той, которая образуется при сварке в земных условиях. Капли жидкого металла, случайно оторвавшиеся от электрода, свободно парят около места сварки на поверхности.

В обычных земных условиях на смачиваемых поверхностях капли обычно растекаются, а на несмачиваемых принимают форму сплюснутых шаров.

Но и здесь жидкость принимает форму, при которой площадь ее поверхности оказывается минимальной. Сила поверхностного натяжения на границе раздела жидкости и газа будет стремиться придать капле сферическую форму. Это произойдет в том случае, если поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и твердого тела будет больше поверхностного натяжения на границе раздела газа и твердого тела.

Если поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и твердого тела меньше поверхностного натяжения на границе раздела газа и твердого тела, то капля приобретет такую форму, чтобы уменьшить площадь поверхности границы раздела газ-твердое тело, то есть будет растекаться по поверхности тела. В этом случае наблюдается смачивание жидкостью твердого тела.

. .

Плавающие капли. Опыт Плато.

Как образуется капля при отрыве от тающей сосульки?

Судьба маленькой капли оказывается очень неожиданной. Возникнув, она не летит вслед за падающей большой, а, наоборот, начинает двигаться вверх, по направлению к сосульке. Иногда это движение оканчивается тем, что малая капля достигает сосульки и как бы поглощается ею, а иной раз, немного переместившись вверх, она летит вниз вслед за большой.

. .

Судьба маленькой капли зависит от того, какой толщины была перемычка, превратившаяся в капельку, а толщина перемычки зависит от того, насколько остра тающая сосулька. Капельки, возвращающиеся в сосульку, обычно рождаются сосульками остроконечными.

Если источником большой капли является не конусная сосулька, а плохо закрученный водопроводный кран, может оказаться, что перемычка будет настолько длинной, что из нее образуется не одна, а несколько маленьких капелек. Эти капельки действительно наблюдаются. Оказывается, что та из них, которая ближе всех расположена к источнику воды, обязательно хоть немного движется вверх, а все остальные такой попытки не делают и следуют вниз за большой каплей.

Как ведет себя капля жидкости на горячей сковороде?

Жидкость начинает интенсивно испаряться. Капля под действием образующихся паров поднимается над поверхностью на десятые доли мм и как бы лежит на «паровой подушке».

Сверхтонкие провода из капель жидкости.

. .

Брызги бывают только на Земле?

. .

Нельзя объять необъятное!

Читайте книги, о физике капли можно узнать еще очень много интересного!

Источник

Физика. 10 класс

§ 8-1. Поверхностное натяжение

Жидкости текучи, и поэтому их форма определяется формой предоставленного им сосуда. Однако в состоянии невесомости любой объём свободной жидкости принимает сферическую форму. Почему?

Поверхностная энергия. Рассмотрим явления, происходящие на границе раздела жидкости с воздухом или её паром.

В поверхностном слое жидкости проявляется нескомпенсированность молекулярных сил притяжения. В самом деле, любая молекула внутри жидкости со всех сторон окружена соседними (одинаковыми) молекулами, действие которых взаимно компенсируется (см. рис. 54 ). Поэтому здесь молекулярные силы притяжения уравновешиваются и результирующая этих сил равна нулю. Так как концентрация молекул в воздухе (паре) значительно меньше, чем в жидкости, то результирующая сил притяжения каждой молекулы поверхностного слоя молекулами газа меньше результирующей сил её притяжения молекулами жидкости. Таким образом, результирующие сил притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя, направлены внутрь жидкости. Под действием этих сил часть молекул поверхностного слоя втягивается внутрь, число молекул на поверхности уменьшается и площадь поверхности жидкости сокращается до определённой величины.

Толщина поверхностного слоя, в котором проявляется нескомпенсированность сил молекулярного притяжения, приблизительно равна радиусу сферы молекулярного действия ( 1 нм). Под действием сил межмолекулярного притяжения и вследствие текучести жидкости на её поверхности остаётся такое количество молекул, при котором площадь поверхности минимальна для данного объёма свободной жидкости, т. е. находящейся только под воздействием силы тяжести. Процесс сокращения площади поверхности на этом прекращается, поверхность жидкости остаётся неизменной. В этом состоянии силы притяжения молекул поверхностного слоя, направленные внутрь жидкости, в среднем уравновешиваются силами отталкивания, возникшими при сближении молекул поверхностного слоя с молекулами внутри жидкости, вызванном её сжатием.

Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного притяжения совершат положительную работу. Наоборот, чтобы переместить молекулу, расположенную внутри жидкости, на поверхность (увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу δA_внеш, пропорциональную изменению площади поверхности ΔS. Поверхностный слой состоит из таких же молекул, что и вся жидкость. Отличие лишь в том, что молекулы поверхностного слоя обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Эту энергию называют поверхностной энергией Е_пов.

Поверхностная энергия пропорциональна площади свободной поверхности жидкости:

где σ — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения или, кратко, поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение — физическая величина, равная работе внешних сил по увеличению площади поверхности жидкости на единицу площади при сохранении объёма и температуры жидкости неизменными:

Так как потенциальная энергия тела (системы тел) в состоянии устойчивого равновесия минимальна, то наличие поверхностной энергии Е_пов у жидкости обусловливает её стремление к сокращению площади S своей поверхности.

Почему волоски кисточки для рисования красками слипаются после того, как её вынули из воды?

Минимальную площадь поверхности при данном объёме имеют шарообразные тела. Например, капли воды при соприкосновении сливаются в одну, форма которой отличается от сферической из-за воздействия силы тяжести и силы реакции опоры. Чем меньше радиус капли, тем большую роль играет поверхностная энергия по сравнению с потенциальной энергией капли в гравитационном поле Земли и тем ближе форма капель жидкости на опоре к сферической. Поэтому маленькие капельки росы на листьях растений принимают форму, близкую к шарообразной ( рис. 54.1 ).

Докажите, что при слиянии нескольких капель воды в одну при неизменной температуре выделяется энергия.

В том, что жидкость стремится принять форму, при которой площадь её поверхности на границе с газом будет минимальной, можно убедиться на опыте. Опустим проволочное кольцо с привязанной к нему нитью в мыльный раствор. Контур кольца, извлечённого из раствора, затянут мыльной плёнкой, а нить в ней размещается случайным образом ( рис. 54.2, а ). Если проколоть плёнку по одну сторону нити, то оставшаяся часть плёнки сократится так, что площадь её поверхности станет минимальной при заданной длине нити ( рис. 54.2, б ). Следовательно, на нить со стороны плёнки действуют силы, удерживающие её в натянутом состоянии и стремящиеся сократить свободную поверхность жидкости.

Источник