Рассказать друзьям
Физика 11 октября 2010

Спираль на воде (часть 2)

Данный эксперимент является продолжением предыдущего (см. статью ”Спираль на воде” ). Кратко напомню, в чем заключалась его суть: из тонкой проволоки изготавливается спираль. Затем она обмазывается сливочным маслом и аккуратно кладется на поверхность воды. Если теперь начать капать мыльной водой в центр спирали, то она начнет крутиться. Именно это явление и нужно было объяснить.

В качестве объяснения была предложена следующая модель: мыльная вода, которую мы капаем из пипетки, образует своеобразный “блин” на поверхности воды. Расширяясь равномерно во все стороны, он действует на спираль, и та начинает вращаться.

Чтобы проверить эту гипотезу, необходимо подкрасить воду, которую мы капаем. В этом случае сразу станет видно, куда и как движется эта жидкость. В новом эксперименте в качестве красителя был взят раствор марганцовки. Кроме того, мыльная вода была заменена на раствор моющего средства для посуды. Капать из пипетки будем по одной капле с минимальной высоты, чтобы исключить какие-либо колебания и волны.

Первое, что бросается в глаза в новом опыте – сильное вращение спирали (даже от одной капли). Второй достоверный факт – покрашенная капля не растекается как “блин” по поверхности, а проникает вглубь и уже там постепенно рассасывается. В то же время, спираль лежит на поверхности жидкости, следовательно, попадание капли должно влиять именно на поверхностный слой. Причем это влияние должно возникать и распространяться очень быстро. По всей видимости, здесь возникает волна изменения поверхностного натяжения, которая быстро распространяется по поверхности. Эта волна и приводит к вращению спирали. Для доказательства попробуем капать не внутри спирали, а где-нибудь снаружи. Сразу видно, что спираль начинает сносить, как будто от волны.

Далее, если продолжать капать в центр спирали, то постепенно скорость ее вращения будет становиться все меньше и меньше. По всей видимости, в этой месте происходит насыщение моющим раствором, так что новые его капли уже не оказывают никакого эффекта.

Еще одна проверка – попытка наливать внутрь спирали подсолнечное масло. Как и ожидалось, оно тоже приводит спираль во вращение. Однако происходит все это весьма и весьма неторопливо.

Наконец, финальная проверка – капание внутрь спирали обычной водой. Таким способом мы убеждаемся, что вращение спирали не вызывается волнами, которые возникают при падении капель (точнее, вызывается, но в очень малом масштабе).

Видео

Похожие статьи
Комментарии ( 7 )
  • Ромка 12 октября 2010, 00:27
    меня по дилетантски интересует вопрос:
    – "разбегается" ли пятно радиально (игнорируя проволочную спираль)
    – или же спираль ограничивает движение пятна и пятно "разбегается" по спирали.

    В случае с маслом на данном видео можно заметить второй вариант, но не очевидно, что так будет и с мыльным раствором (моющим средством).

    В обоих случаях спираль будет вращаться в одном направлении, но механизмы будут различны.

    Все таки, кажется, будет более наглядно, если вместо раствора марганцовки, накрошить на поверхность в небольшом количестве легкие частички (мелкие опилки/волокна, пенопластовую стружку и т. д.)
  • Administrator 12 октября 2010, 11:48
    меня по дилетантски интересует вопрос:
    – "разбегается" ли пятно радиально (игнорируя проволочную спираль)
    – или же спираль ограничивает движение пятна и пятно "разбегается" по спирали.


    Нет, не разбегается. Капля сразу проникает вглубь воды.
  • Ромка 12 октября 2010, 13:57
    Извиняюсь, что высказался запутанно. Имелась ввиду не вся капля, а её "след" на поверхности: то самое пятно, в котором много "мыла". Само это пятно увидеть, скорее всего, сложно, но о характере перемещения его границы могли бы просигнализировать "поплавки – пылинки".

    Конечно же, возможно, что я ошибаюсь, поэтому, чтобы расставить точки над "i" более подробно опишу рассуждения:

    1. начну с рассказа об эффекте Марангони (термо–капиллярный эффект).
    Суть эффекта в том, что под воздействием неравномерного нагрева поверхности жидкости в самой толще жидкости начинается вихревое движение. Объясняется это явление зависимостью от температуры коэффициента поверхностного натяжения: чем выше температура, тем меньше коэффициент поверхностного натяжения. Если температуру по поверхности распределить неравномерно, то возникают горизонтальные силы, направленные из областей более горячих в более холодные (например, для наглядности можно представить себе это, как будто поверхность – это пленка, которая сжимается в более холодных областях и расширяется в более горячих). Эти силы и являются причиной движения жидкости во всей толще. В частности наблюдается этот эффект, когда лазером плавят металл. Расплавленный металл движется от центра лужи (куда светит луч) и "размывает" твердую границу (лужа получается широкая и мелкая, что не всегда хорошо).

    2. В опыте со спиралью кажется более естественным использовать для объяснения явления силы поверхностного натяжения, нежели реактивную тягу.
    3. Очевидны два варианта действия этой поверхностной силы
    – по сценарию Марангони: слой жидкости радиально разгоняется и толкает спираль (рис 1 http://partner2003.narod.ru/fig1.jpg)
    – по сценарию "мыльного пузыря": область с пониженным коэффициентом поверхностного натяжения стремится увеличить площадь вдоль спирали, а сама спираль испытывает с разных сторон разную силу поверхностного натяжения (рис 2 http://partner2003.narod.ru/fig2.jpg)
    4. Чтобы окончательно выбрать один из этих вариантов нужно либо точно сказать, сможет ли пятно "просочиться" под спиралью, либо посмотреть на опыте, как ведет себя пятно.

    ==============
    Прошу меня поправить, если я ошибся.
  • 0lympian 13 октября 2010, 12:03
    Хм... вот это озадачили!

    Но я все же придерживаюсь старой версии, а именно той что давление жидкости давит на центр спирали, а в другую сторону свободно выходит.

    А то что окрашенный раствор проникает вглубь – есть подозрение что ПАВ очень легко отделяется и растекается по поверхности.
  • Administrator 13 октября 2010, 12:46
    0lympian, еще один мой довод против модели с радиальным растеканием пятна, чисто физический:

    капаем ровно одну каплю с очень малой высоты. Запаса энергии у нее нет – ни потенциальной (h –> 0), ни кинетической (V –> 0). Энергия может взяться разве что, когда шарик капли превращается в плоский блин. Однако, на мой взгляд, этой энергии мало, чтобы раскрутить спираль. Плюс много энергии уходит в толщу жидкости.

    В сравнении с этим энергии, связанной с поверхностным натяжением, у нас много (не знаю, правда, как ее корректно назвать). Она и переходит в энергию вращения спирали.

    Кстати, вот объяснение с другого форума:

    С волной–то как раз всё просто и всё понятно.
    Есть равновесный профиль поверхности. Он зависит от поверхностного натяжения. Если мы изменяем поверхностное натяжение, то профиль соответственно изменяется.
    Теперь, как конкретно это происходит. Капаем мыло –> изменение считаем мгновенным. Что имеем? Есть новый равновесный профиль поверхности, но фактически вода ещё не успела сместиться и расположена по старому профилю. Дальше – традиционно. Берём новый равновесный профиль, и отличие реального профиля записываем как некое возмущение, которое как–то должно отрелаксировать.
  • Олег 16 октября 2010, 01:18
    У моющего средства и масла принципиально разные способы образования пленки на поверхности. Если для масла это банальное растекание, то ПАВ образует на поверхности пленку состоящую из полярных молекул (в школьном учебнике химии была красивая иллюстрация этой пленки). "Мощность" таких пленок можно вспомнить из старой рекламы какогото моющего средства – в тарелку с водой на поверхности которой было масло капали моющее средство и масло моментально разбегалось к краям тарелки.

    Вращение элементарным давлением образующейся пленки на спираль. В качестве иллюстрации можно мысленно рассмотреть спирали с разной степенью закрученности и предельные случаи – кольцо и прямую.
  • Лизка 31 мая 2013, 17:42
    Я думаю, что спираль вращается от мыльного раствора как и от подсолнечного масла, а что же касается замедления вращения, то скорее всего, это происходит от того, что мыла становится слишком много в растворе и оно оказывает меньшее реактивное воздействие на спираль.
Ваш комментарий
 
Кому:
Ваше имя:
Ваш e-mail:
Комментарий:
 
  гостевые комментарии проверяются модератором