|
|||
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). |
Рассказать друзьям
© | права на опубликованные материалы принадлежат их авторам |
Купить научно-популярные книги
Кессельман Владимир Самуилович, "Удивительная история математики." |
Леенсон Илья Абрамович, "Удивительная химия" |
Похожие статьи
Комментарии ( 7 )
-
Ромка 12 октября 2010, 00:27
– "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
– "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
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
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
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
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
Ваш комментарий