форма падающей капли воды

Форма дождевых капель

Автор: Маглипогода · Опубликовано 31.05.2019 · Обновлено 27.06.2021

Наверняка многие задумывались о том, какую форму принимает капля воды во время свободного падения из облака на землю. И если спросить любого человека, то он скорее всего скажет, что это форма, похожая на «слезинку». Но так ли это? Давайте разберёмся более подробно в этом вопросе.

Форма дождевых капель.

Форма дождевой капли — форма капли дождя, которую она принимает в свободном полете из облака до поверхности Земли. Мелкие капли до 2 мм близки к сфере, более крупные приобретают приплюснутую снизу форму «булочки для гамбургера», а при их увеличении до 5 мм капля нестабильна и происходит ее преобразование в вогнутую форму раскрытого парашюта или другие формы, после чего она распадается на множество мелких брызг. Теперь разберем более подробно:

Итак, выпадение капель происходит, когда маленькие капли воды в облаке сливаются в более крупные (процесс коагуляции), и не в состоянии уже противостоять гравитации, устремляются к земной поверхности. Дождевые капли имеют размеры в пределах от 0,1 до 6-7 мм — средний диаметр, при превышении которого они, как правило, распадаются. Капли менее 0,1 мм являются облачными и имеют идеально сферическую форму.

Мелкие капли до 2 мм чаще всего близки по форме к сфере (например, выпадение мороси), более крупные приобретают приплюснутую снизу форму «булочки для гамбургера», а при их увеличении до 5 мм капля нестабильна и происходит ее преобразование в вогнутую форму раскрытого парашюта или другие формы, после чего она распадается на множество мелких брызг.

Типы дождевых капель: A — несуществующий тип капель (форма капли под предметом перед падением) B — капли размером менее 2 мм (почти круглые) C — капли от 2 до 5 мм (сплющенная форма из-за трения о воздух) D — капли больше 5 мм, из-за потока воздуха разделяются на меньшие капли E — процесс деления крупной капли на несколько.

Форма капли зависит от ее размера: для маленьких капель сила поверхностного натяжения делает форму более сферической, тогда как с увеличением размера капли под действием встречного воздушного потока ее форма приобретает все более приплюснутую форму.

Поток воздуха, действующий на каплю.

Встречный поток воздуха создает внизу капли область высокого давления, а выше нее — область низкого давления, что деформирует каплю в плоскую или вогнутую (см. рисунок выше, справа).

На фото приведены фотографии падающих дождевых капель с диаметрами: а — 6 мм при скорости 8,8 м/сек; б — 4,8 мм при скорости 8,3 м/сек; в — 2,8 мм, при скорости 6,8 м/сек.

Ниже показана анимация обтекания частицы потоком (Mach=2/Re=50 «Kidney-shape»): Самые большие капли дождя на Земле были зафиксированы в Бразилии и на Маршалловых островах в 2004 году — некоторые из них достигали диаметра 10 мм. Их большой размер объясняется формированием конденсата на крупных частицах дыма или столкновением между каплями при большой их концентрации в воздухе. Кроме этого, наиболее крупные капли чаще всего формируются в процессе таяния градин.

Французские ученые Эммануэль Вильермо и Бенджамин Босса в июле 2009 г. опубликовали в журнале Nature Physics исследование разрушения крупных капель под действием встречного потока. По словам исследователя, каждая капля распадается индивидуально и независимо от их соседей на пути к земле. Таким образом, дождевая капля в процессе распада может приобрести форму раскрытого парашюта:

Фрагментация одной капли определяет распределение дождевых капель по размерам.

На следующей фотографии показаны три различных вида последовательности распада капель с интервалами между кадрами 2 миллисекунды, полученные другими исследователями (Barros, Ana P., Olivier P. Prat, Prabhakar Shrestha, Firat Y. Testik, Larry F. Bliven, 2008). (а) волокнистый (filament), (b) потоковый (sheet) и (c) дисковый распад капли:

Три различных вида последовательности распада капель с интервалами между кадрами 2 миллисекунды. (а) волокнистый (filament), (b) потоковый (sheet) и (c) дисковый распад капли

Что касается скорости падения, то для дождевых капель диаметром 0,5 мм на уровне моря и без ветра она составляет от 2 до 6,6 метров в секунду, в то время как капли диаметром 5 мм и более имеют скорость от 9 до 30 метров в секунду. Причём зависимость скорости падения от размера капли не является линейной (см. на графике):

Скорость падения капель (по оси Y) от её размера (по оси X)

Первые исследования формы дождевых капель относятся ещё к концу 1800-х гг. Немецкий ученый Филипп Ленард исследовал форму дождевых капель с 1898 г., а в 1904 г. опубликовал итоговую статью. Для изучения скорости капель он соорудил вертикальный воздушный туннель, где можно было управлять скоростью встречного воздушного потока. Он впервые сообщил, что форма капли отличается от стереотипной «слезинки» и сферична для капель примерно до 2 мм и деформируется в виде плоского дна и закругленной вершины, подобно булочке для гамбургера при увеличении капли, а при размерах свыше 5.5 мм капли нестабильны и распадаются.

Следите за погодой и климатом вместе с нами!

Источник

Форма дождевой капли

Форма дождевой капли — форма капли дождя, которую она принимает в свободном полете из облака до поверхности Земли. [⇨] Мелкие капли до 2 мм близки к сфере, более крупные приобретают приплюснутую снизу форму «булочки для гамбургера», [⇨] а при их увеличении до 5 мм капля нестабильна и происходит ее преобразование в вогнутую форму раскрытого парашюта или другие формы, после чего она распадается на множество мелких брызг. [⇨] Первые исследования формы дождевых капель относятся к концу 1800-х гг. и принадлежат Ф.Ленарду и В.Бентли. [⇨]

Содержание

[править] Форма летящей капли

БСЭ сообщает, что дождевые капли в своем падении под действием поверхностного натяжения и встречного потока воздуха принимают форму «булочки»: [1]

На фото выше приведены фотографии падающих дождевых капель с диаметрами:

Таким образом, традиционное изображение капли в виде «слезинки» не соответствует действительности. [2]

[править] Зависимость формы капель от их размера

Форма капли зависит от ее размера: для маленьких капель сила поверхностного натяжения делает форму более сферической, тогда как с увеличением размера капли под действием встречного воздушного потока ее форма приобретает все более приплюснутую форму:

На рисунке выше показано (a) сравнение формы капель радиусами 1, 1.5, 2, 2.5 и 3 мм из статья Росса 2000 г. [3] (b)(c)(d)(e) — форма капли неискаженным радиусом 0.5, 1.0, 3.0, 4.5 мм. [4]

[править] Поток воздуха, действующий на каплю

Встречный поток воздуха создает внизу капли область высокого давления, а выше нее — область низкого давления: [5]

Под диаметром капли здесь понимается диаметр полностью сферической (не искаженной) капли той же массы.

Видео обтекания цилиндра в ламинарном потоке можно просмотреть по ссылке. [6]

Ниже показана анимация обтекания частицы потоком (Mach=2/Re=50 «Kidney-shape») с сайта Калифорнийского университета (Санта-Барбара): [7]

[править] Вогнутость нижней части капли

Область высокого давления делает нижнюю часть капли более плоской, или даже вогнутой:

На фотографии выше показана большая водяная капля в свободном падении. [8]

[править] Разрушение больших капель в полете

Французские ученые Эммануэль Вильермо и Бенджамин Босса [9] в июле 2009 г. опубликовали в журнале Nature Physics исследование разрушения капель под действием встречного потока. [10]

Фото Эммануэля Вильермо, 2009 [11]

По словам исследователя, каждая капля распадается индивидуально и независимо от их соседей на пути к земле. [12]

Таким образом, дождевая капля в процессе распада может приобрести форму раскрытого парашюта. [13]

[править] Виды разрушения капель

На фотографии выше показаны три различных вида последовательности распада капель с интервалами между кадрами 2 мс, полученные другими исследователями (Barros, Ana P., Olivier P. Prat, Prabhakar Shrestha, Firat Y. Testik, Larry F. Bliven, 2008). (а) волокнистый (filament), (b) потоковый (sheet) и (c) дисковый распад капли. [14]

Источник

Капля воды – казалось бы, разве может что-то быть проще? А ведь это действительно удивительное творение природы, изменяющееся в зависимости от внешних условий, собственных размеров, состава и ряда других параметров. Даже её форма, оказывается, может сильно отличаться от привычной. Постараемся, опираясь на науку и современнейшие данные, рассказать о ней побольше.

Самое интересное кратко

Какова форма капли?

Это зависит от объема – от идеальной сферы до формы, напоминающей купол парашюта.

Какой размер имеет дождевая капля?

Этот показатель серьезно различается – от 0,1 до 7 миллиметров.

Где выпал дождь из самых крупных капель?

В 2004 году в Бразилии и на Маршалловых островах прошел дождь, капли в котором имели диаметр до 10 миллиметров!

С какой скоростью падают капли дождя?

Она зависит от размера и может колебаться от 2 до 30 метров в секунду.

Сколько весит капля воды?

Масса одной капли воды примерно 0,03-0,05 грамма, но надо понимать, что значение может отличаться от состава и размера. Фармацевтической мерой считается капля массой 0,05 г.

Какова форма капли?

Конечно, большинство не задумываясь ответят – каплевидная, то есть, округлая внизу и вытянутая сверху. А ведь это серьезное заблуждение! На самом деле все зависит от размера капли и, соответственно, её массы.

К примеру, если брать небольшую каплю воды, около 2 миллиметров или меньше, то её размер в полете будет практически идеальной сферой. Ведь здесь действует притяжение молекул, которое направлено в центр капли. Однако форма остается такой лишь до тех пор, пока капля достаточно мала, чтобы скорость падения была небольшой и, соответственно, сопротивление воздуха сохранялось минимальным.

А вот если её диаметр увеличивается больше 2 миллиметров, то все изменяется. Силы притяжения молекул уже недостаточно, чтобы стягивать их к центру, а скорость падения и сопротивление воздуха увеличиваются. Из-за этого в нижней части создается область повышенного давления, в то время как над каплей формируется область низкого давления. Поэтому больше всего в этот момент капля похожа на купол парашюта – слегка изогнутая в центре и округлая сверху. Причем чем больше масса, тем сильнее изогнута капля в центре.

Поверхностное натяжение воды

Ещё интереснее обстоит дело, если капля увеличивается в полете – к примеру, из-за присоединения других, более мелких. При достижении размера в 7 миллиметров и больше, форма оказывается настолько изогнутой, что капля просто разрывается на две части – молекулярного притяжения уже недостаточно, чтобы удержать её целой. Поэтому обычно даже при самом сильном ливне нельзя увидеть или зафиксировать капли дождя больше 6-7 миллиметров в диаметре. Конечно, даже это бывает довольно редко. Чаще всего причиной столь крупных капель является не прошедший град. В жарком воздухе градины быстро тают и падают на землю уже не в виде льдинок, а как крупные капли воды.

Другой разговор, если речь идет о каплях, падающих не с неба, а, например, капающих из крана. Вот здесь вполне может идти разговор о той самой форме, какая привычна всем с детства «слезинка» – внизу практически идеальный шар, а вот сверху резко утончающийся хвостик. Но такой форма остается считанные мгновения – под своим весом вода оттягивается вниз, «хвостик» удерживающий её, просто рвется, и она падает вниз, в полете уже принимая форму сферы – однако все происходит настолько быстро, что человеческий глаз не успевает этого заметить.

Скорость капель в дожде

Из предыдущего вопроса вытекает новый – какой максимальной скорости может достигнуть капля во время дождя? Этот показатель зависит в первую очередь от двух факторов – размера капли и высоты, с которой она падает. При увеличении любого из них, скорость возрастает.

К примеру, если взять идеальные условия – полное отсутствие ветра и высоту на уровне моря, то капля диаметром в 0,5 миллиметра будет иметь скорость от 2 до 6,6 метров в секунду – в зависимости от высоты, с которой она падает. Если же увеличить диаметр капли в 10 раз, до 5 миллиметров, оставив прочие факторы без изменений, то скорость возрастет уже до 9-30 метров в секунду! А ведь 30 метров в секунду это уже 108 километров в час – весьма серьезная скорость! Если бы капля имела большую плотность, то легко смогла бы доставить множество проблем.

Самые крупные известные капли

Как говорилось выше, обычно максимальный диаметр капель составляет около 6-7 миллиметров – более крупные просто распадаются в воздухе. Однако природа часто создает законы только для того, чтобы их иногда нарушать. Так же обстоит дело и с каплями дождя.

Оказывается, сравнительно недавно, в 2004 году на Маршалловых островах и в Бразилии лил дождь, в котором капли имели размер до 10 миллиметров! Как это возможно и почему они не разорвались в полете, как это бывает обычно? Все дело в плотности. Шел настолько сильный дождь, что стоило только каплям разорваться на более мелкие, как они в свою очередь объединялись с другими, снова достигая невероятного размера.

Вода и капля в невесомости

Но, стоит отметить, что здесь и выше речь идет исключительно о нормальных условиях. А какой может быть размер капли в невесомости? Оказывается – практически любой! Ведь здесь нет никакого давления, ничто не пытается расплющить каплю или разорвать на части. Зато поверхностное натяжение никуда не денется – оно по-прежнему будет удерживать форму воды. Так что, если вылить в невесомости литр воды, не позволяя ему прикоснуться к какой-либо поверхности, он замрет в воздухе, сохраняя форму сферы. Но стоит только задеть её пальцем, как капля распределится по всей ладони, руке или даже телу, пытаясь минимизировать площадь поверхности.

А как же свинец?

Однако здесь стоит учитывать, что свинец и вода имеют совершенно разную плотность – 11,3 г/см3 против 1 г/см3 соответственно. Поэтому и молекулярные связи в металле значительно сильнее. Как результат – с большой высоты могут падать капли расплавленного свинца диаметром около 5 миллиметров, и при этом они будут сохранять форму шара. Неслучайно для изготовления дроби использовались специальные дроболитейные башни высотой в несколько десятков метров – падая капли принимали нужную форму и в таком виде падали в жидкость (это не вода, как думают некоторые, а мыльный раствор с примесью керосина), моментально охлаждаясь и сохраняя форму.

Капля в фармацевтике

Мало кто задумывается, а ведь капля – это не просто небольшая частица воды или другой жидкости. Это ещё и довольно точная измерительная единица. По крайней мере, фармацевты успешно используют её для проведения расчетов. Когда речь идет о водных растворах, то одна капля равняется 0,05 миллилитра. А если говорить про спиртовые капли, то её объем значительно уменьшается – до 0,025 миллилитра. Чаще всего единица измерения используется в случаях, когда идет речь про жидкие лекарственные препараты, например, капли для носа.

Источник

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Наверное все привыкли представлять себе каплю дождя вот так. На самом деле это конечно символическое представление капли, так же как символ СЕРДЦА.

Да и вообще капли дождя меняются по мере их падения в основном из-за скорости движения. Это, конечно, порождает вопрос: как быстро падают капли дождя? Они могут развивать скорость.

. до 32 км/ч. Естественно, так падают не все капли, некоторые медленно опускаются на землю со скоростью 3 км/ч, т. е. медленнее идущего пешком человека.

Вот как выглядит капля дождя. Она начинает свою жизнь в облаке в виде сферы.

Как отмечается на американском сайте, посвящённом мелкомасштабной топографической съёмке, капли дождя по форме больше напоминают булочки для гамбургеров или бобы. Когда они становятся большими, они делятся на две. И только тогда они приобретают форму слезы, чтобы вскоре снова стать похожими на верхнюю половинку гамбургера.

Фраза «сильный дождь» может быть оксюмороном, поскольку средний вес капли составляет 0,2 грамма. Это легче человеческой ресницы.

Если человек захочет попить дождевую воду, ему, вероятно, было бы интересно узнать, что в нем содержится. Оказывается, в нем могут быть бактерии, паразиты, пыль, грязь, дым и другие химикаты, поэтому стоит дважды подумать, прежде чем ловить языком капли дождя.

Не весь дождь долетает до земли. Иногда он испаряется, прежде чем соприкасается с ней. Это называется фантомным дождем.

Источник

Форма падающей капли воды

Какие бывают капли

Сложнее обстоит дело с формой капель. Стремлению поверхностного натяжения уменьшить поверхность жидкости здесь обычно противодействуют другие силы. Например, капля жидкости почти никогда не является шаром, хотя шар имеет наименьшую из всех фигур поверхность при заданном объеме. Когда капля покоится на неподвижной горизонтальной поверхности, она оказывается сплющенной. Сложную форму имеет и падающая в воздухе капля. И только капля, находящаяся в невесомости, принимает совершенную сферическую форму.

Устранить действие силы тяжести при изучении поверхностного натяжения жидкостей впервые догадался в середине прошлого века бельгийский ученый Ж. Плато. Разумеется, в то время и не мечтали о настоящей невесомости, и Плато просто предложил уравновесить силу тяжести архимедовой выталкивающей силой. Он поместил исследуемую жидкость (масло) в раствор, обладающий такой же плотностью, и, как пишет его биограф, с удивлением увидел, что масло приняло сферическую форму; он тотчас же применил свое правило «вовремя удивляться», и это явление послужило затем для него предметом долгих размышлений».

Свой метод Плато применил для исследования различных явлений. Например, он изучил процесс образования и отрыва капли жидкости на конце трубки.

Обычно, как бы медленно мы ни увеличивали каплю она отрывается от трубки так быстро, что глаз не может уследить за деталями этого процесса. Плато помещал конец трубки в жидкость, плотность которой была только немного меньше плотности капли. Действие силы тяжести при этом ослаблено, поэтому можно вырастить очень большую каплю и увидеть, как она отрывается от трубки.

Рис. 8

Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Основная масса по мере роста капли собирается внизу, и у капли образуется шейка (вторая фотография на рис. 8). Сила поверхностного натяжения направлена вертикально по касательной к шейке. Она уравновешивает силу тяжести, действующую на каплю. Теперь достаточно капле совсем немного увеличиться, и силы поверхностного натяжения уже не смогут уравновесить силу тяжести. Шейка капли быстро сужается (третья фотография на рис. 8), и в результате капля отрывается (четвертая фотография). При этом от шейки отделяется маленькая капелька, которая падает вслед за большой. Вторичная капелька образуется всегда (ее называют шариком Плато), но так как процесс отрыва капли очень быстрый, обычно мы этой вторичной капельки не замечаем.

Рис. 9

При равномерном движении капли сила тяжести, действующая, например, на центральный столбик капли АВ (рис. 9), должна быть уравновешена силами поверхностного натяжения. А для этого необходимо, чтобы радиусы кривизны капли в точках А и В были разными. Действительно, поверхностное натяжение создает избыточное давление, определяемое формулой Лапласа: ΔP_л = σ’ /_R, и если кривизна поверхности капли в точке А будет большей, чем в точке В, то разность лапласовских давлений сможет уравновесить гидростатическое давление жидкости:

2R. Отсюда получаем

Для воды, например, R_пред≈0,3 см (разумеется, это лишь порядковая оценка максимального размера капли). Вот почему вы не увидите на листьях деревьев и других поверхностях, не смачиваемых водой, слишком крупных капель.

Источник