Что такое капля как она получается

Kак возникает капля? Впервые на вопрос этот в 1878 году ответил с позиции математической физики знаменитый английский учёный Рэлей (1842-1919). Он положил начало целому направлению в гидродинамике, которое сейчас, c появлением реактивной техники, переживает второе рождение.

Работа Рэлея базируется на том факте, что струя всегда испытывает возмущения, вызванные вибрациями, отклонениями стенок от правильных геометрических форм, их шероховатостью и т.п. Если возмущения эти начнут увеличиваться, впадины волн -углубляться, гребни - расти, струя оказывается неустойчивой относительно малых колебаний, а волна становится будущей каплей; иными словами, волна должна отделиться от струи в виде частицы с диаметром, примерно равным длине волны . Решение Рэлея показало, что струя неустойчива и что амплитуды коротких и длинных волн растут с разной скоростью в зависимости от их длины. Но есть самая «лёгкая на подъём» так называемая оптимальная длина волны (, имеющая максимум роста среди всех других. Она примерно равна 4,5 диаметра струи. Рэлей принял единственную гипотезу, что диаметр капли определяется величиной именно этой волны. Опыты хорошо подтвердили теорию. Правда, результат Рэлея касался частного случая - неподвижного цилиндра невязкой жидкости; в реальности этому соответствует медленное течение из чуть приоткрытого крана. Искровые фотографии круглой струи показали, что с ростом скорости истечения всё усложняется, изменяется форма колебаний от симметричных к антисимметричным . Длина неустойчивых волн, а с ней и размеры капель уменьшаются; из массы волн начинает резко вырываться уже не одна, а две или несколько. И вот самое существенное: вместо одинаковых капель возникает их целый спектр разных размеров.

Но вот из распада струй родилась капля. Как она ведёт себя и движется дальше? Какова форма летящей капли?

Обычно следует ответ, что капля, двигаясь, вытянется под действием воздуха вдоль траектории, станет обтекаемой. Действительно, каплеобразная форма-символ хорошо обтекаемого тела и стремительного полёта. Память подсовывает и образ из другого, соседнего ряда - капля, висящая на пипетке или кончике пера. Но ответ этот -классический пример ложного хода интуиции. Если взглянуть на искровые фотографии движущихся капель, можно заметить, что они в самом деле деформированы встречным потоком, но многие, особенно крупные, капли странным образом вытянуты не вдоль, а поперёк линии полёта. Капля становится не более, а менее обтекаемой. На схеме показано распределение нормальных давлений (перпендикулярных поверхности обтекаемого шара): значками «+» и «-» обозначены соответственно зоны повышенного и пониженного давления (сравнительно с атмосферным и статическим давлением внутри жидкости). Лобовые силы плющат каплю, другие вытягивают её с боков и у «кормы». Получается (вместо обтекаемой сигары) дискообразное тело.

Капля, срывающаяся с пипетки или водопроводного крана, действительно имеет поначалу «каплеобразную форму»-тяжёлая жидкость в «мешке» растягивающейся капиллярной плёнки, в первый момент скорость падения мала, и аэродинамические силы не оказывают влияния. Но может всё-таки случится, что летящая капля вытянется вдоль движения. Это произойдёт, если силы трения, касательные к жидкой поверхности, превзойдут нормальные давления, например, для медленно движущейся вязкой капли или капли, «ползущей» в вязкой среде. Вопрос о форме капли в потоке совсем не прост - ему посвящены многие работы и тонкие эксперименты. Выяснилось, что капля не сохраняет постоянной формы - она «дышит», находится в состоянии колебаний. Мы видели: на поверхности движущейся капли силы в разных точках различны, значит, должны возникнуть внутренние токи жидкости от большего к меньшему давлению. Опыт с мелким порошком внутри жидкости показывает, что в капле возникают вихревые токи.

Траектории капель зависят от аэродинамических сил, от формы капли. Формулы механики полёта любого тела, будь то самолёт или капля, содержат аэродинамический коэффициент сопротивления - С, который отражает силу сопротивления среды, направленную против силы скорости движения тела. Он различен для тел разной формы. А где С, там и С - коэффициент подъёмной силы, действующей по нормали к скорости: в аэродинамике эти коэффициенты «ходят парами». Оба они определяют взаимодействие воздуха и, например, летящего самолёта. А может ли у капли быть С? Иными словами, может ли горизонтально летящая капля вдруг пойти вверх? Может, если деформация её относительно продольной оси несимметрична и в результате действующие на неё силы снизу и сверху окажутся неодинаковыми. Изредка на фотографиях наблюдалась траектория такой капли; какие-то причины вызывали несимметричную деформацию, и падающая в потоке капля вдруг взмывала вверх.

Вообще же скоростная фотография неоправдавшая надежд как метод измерения капель, позволила понять механизмы каплеобразования, разглядеть много интересного. Вот произошел рэлеевский распад медленной струйки: падающие капли причудливо колеблются, поверхность принимает очертание сопряженных овалов и многоугольников– накладываются друг на друга колебания разных мод, то есть форм и амплитуд. За каждой каплей неизмененным спутником следует маленький шарик Плато. Если жидкость вязкая, например масло, колебания быстро затухают.

Своеобразен многократно описанный процесс соударения капли с поверхностью жидкости. Здесь самое интересное - сохранение «индивидуальности» капли, казалось бы, полностью исчезнувшей при ударе. Подкрашенная красителем капля упала на жидкую поверхность, возник кратер, по его краю поднялся венчик миниатюрной короны, а капля превратилась в тонкую пленку-подстилку на дне кратера. Ей пора исчезнуть, раствориться в окружающей жидкости. Но скорость гидромеханических процессов оказалось много больше диффузионных. Кинетическая энергия удара, как сжатой пружине, перешла в давление поверхностного натяжения, оно приложено по краевому контуру пленки, закругленной тем больше, чем меньше радиус кривизны. Под действием таких периферийных сил жидкость снова устремляется к центру, собирается в окрашенный шарик - значит, это те же молекулы, что и в исходной капле. Затем каплю поднимает над поверхностью острие жидкого столбика, образующегося вместо кратера.

А вот другое явление: жидкая струйка обдувается воздушным потоком под углом 90( к её оси; такая подача жидкости иногда применяется в камерах сгорания. Струйка изгибается, искровая фотография показывает, как при этом жидкий цилиндр сплющивается, превращаясь в тонкий лепесток, который распадается на капли, уносимые воздухом