«Дождь» Исследуйте и объясните, как движутся капли дождя по оконному стеклу. Постановка задачи: Команда АГ, Санкт-Петербург

План работы Используемая модель Теория Эксперименты 1. Ход экспериментов 2. Экспериментальное подтверждение используемой модели 3. Наблюдаемые явления 4. Теоретическое обоснование наблюдаемых явлений Выводы

Используемая модель B A ~Капля состоит из «подложки» - В и движущейся(основной) части - А ~Подложка никуда не движется ~Основная часть капли движется по подложке ~При движении под основной частью капли образуется новая подложка - за счет потери массы движущейся части ~Со следа подложки идет испарение ~Капля перекатывается, т.е. верхняя часть «накатывается» на стекло

Теория КАПЛЯ - небольшой объем жидкости, ограниченный в состоянии равновесия поверхностью вращения Капля дождя состоит не только из воды (H 2 O). В ней содержатся также всевозможные соли - нитраты и нитриты, образующиеся при разложении атмосферного озона во время грозы. При падении, капля не имеет реального ускорения(движется равномерно). Она имеет форму, сплюснутую с одной стороны - под действием силы тяжести, давления встречного потока воздуха и поверхностного натяжения. Однако при этом известно, что капля дождя падает равномерно.

Теория x y Обозначения: - сила молекулярного взаимодействия между стеклом и водой - сила внутреннего трения жидкости - ускорение капли (ускорение передней, натекающей части подложки) -сила поверхностного натяжения жидкости

Теория

Возможны несколько зависимостей массы движущейся части от времени (часть воды уходит в подложку): 1) и -коэффициенты. Тогда: Движение равномерное Движение ускоренное 2) -коэффициент. Тогда:

Ход экспериментов Эксперименты проводились на стеклах трех видов: »Оконное стекло »Зеркало (наиболее качественное стекло) »Фотопластинка Так же для нанесения капель воды на стекло использовались такие инструменты, как пульверизатор и медицинский шприц. На поверхность стекла распрыскивалась вода из пульверизатора, или выдавливалась капелька из шприца так, что игла практически касалась стекла Вода использовалась трех типов: »Растаявший снег (довольно чистый). Он имитировал дождевую воду, т.к. снег и вода по своему химическому составу схожи. »Дистиллированная вода »Вода «из-под крана» Опыты подтвердили, что при использовании воды «из-под крана» и дистиллированной воды, характер движения капли, по сравнению с растаявшим снегом, существенно не менялся.

Экспериментальное подтверждение используемой модели Проводились такие эксперименты: Капали на горизонтально лежащее стекло каплю и медленно переворачивали стекло по часовой стрелке. Наблюдали такие картинки:

Теория F2 – сила, необходимая для отрыва жидкости от твердой поверхности в области тыльной части движущейся капли. F1=mgsinφ, где m - масса капли. До отрыва капли энергия, связанная с границей жидкость - твердое, равнялась α жт После отрыва жидкости от твердого тела образуется 2 поверхности: одна из них – свободная поверхность жидкости с энергией α ж, вторая - свободная поверхность твердого тела α т. Т.о Δα= α ж + α т - α жт. => A=2R Δαx =>F2=2R Δα. Энергия, выигранная при «набегании», не используется для облегчения отрыва.

Теория Чтобы капля поползла по наклонной плоскости, необходимо выполнение условия: F1>F2, или mgsinφ>2R Δα. Оконное стекло расположено перпендикулярно к линии горизонта, поэтому по стеклу поползут лишь те капли, масса которых Если предположить, что на поверхности горизонтально расположенного стекла капля имеет вид полусферы, то Капли именно такого радиуса поползут по стеклу.

Эксперименты ¬По достаточно чистому стеклу след капли собирается в маленькие капельки ¬По стеклу,испачканному каким-либо липким веществом, например, желатином капля движется по кривой или ломаной траектории в зависимости от формы грязного пятна на стекле. ¬При нагреве стекла скорость капли увеличивается, но не значительно. ¬При движении по уже смоченному стеклу капля движется быстрее, чем по сухому ¬При движении по стеклу, покрытому каким-либо жирным веществом, форма капли меняется, кроме того, капля движется медленнее. ¬При распылении воды пульверизатором «поведение» капелек на стекле сильно зависит от того, с какого расстояния от секла проводится распыление.

След капли Движущаяся капля будет оставлять за собой след, если Δα>2α ж, т.е. если капле выгоднее смещаться по оставленному на стекле жидкому слою, чем оголять твердую поверхность. Если же данное неравенство не будет выполнено, то капли будут скатываться по стеклу, не оставляя следа.

Эксперимент 1 По достаточно чистому стеклу след капли собирается в маленькие капельки. Данное явление обуславливается наличием силы поверхностного натяжения, а так же эффектом смачивания.Так как чистое стекло меньше смачивается, чем пыльное, то силы взаимодействия с ним - силы сцепления на каплю меньше, и под действием сил поверхностного натяжения, след стягивается в маленькие капельки неправильной формы.Они образуются в местах микронеровностей стекла. По стеклу с напылением остается обыкновенный след - влажная дорожка (справа)

Эксперимент 2 По стеклу,испачканному каким-либо липким веществом, например, желатином капля движется по кривой или ломаной траектории в зависимости от формы грязного пятна на стекле. Капля, подходя к границе вещества, не может перейти ее, так как для этого нужны большие затраты энергии, и, соответственно, она либо останавливается на границе, если граница горизонтальна, либо «обходит ее», если она кривая. Горизонтальная граница Кривая граница

Эксперимент 3 При нагреве стекла скорость капли увеличивается. Это объясняется тем, что скорость молекул при нагревании увеличивается, т.е. сила сцепления уменьшается, следовательно скорость движения увеличивается. Потеря массы капли больше, но незначительно. Т.о. скорость капли увеличивается. На рисунке показана установка для нагрева стекла.Сзади стекла ставилась лампа(галогенная). За счет ее излучения весьма ощутимо нагревалось стекло. На стекло капали воду и наблюдали описываемое явление.

Эксперимент 4 При движении по уже смоченному стеклу капля движется быстрее, чем по сухому. Это происходит из-за того, что при движении капли по влажному стеклу на нее действуют не силы сцепления. А сила внутреннего трения меньше, чем сила сцепления. Таким образом, скорость капли больше. Кроме того, капля в этом случае не накатывается, а скользит по воде.

Эксперимент 5 При движении по стеклу, покрытому каким-либо жирным веществом, форма капли меняется, кроме того, капля движется медленнее. Форма капли меняется за счет того, что сила взаимодействия воды с жирной поверхностью больше, чем сила поверхностного натяжения жидкости. На левом рисунке представлена форма капли на несмачиваемой поверхности, а на правой - смачиваемой.

Эксперимент 6 При распылении воды пульверизатором «поведение» капелек на стекле сильно зависит от того, с какого расстояния от секла проводится распыление. Объясняется это явление тем, что на расстоянии, по проведенным экспериментам, больше 8 см, вода распыляется полностью, как показано на рисунке, а на малом расстоянии - в середине общего потока много струй, расходящихся под малыми углами, сливающихся в одну, которая и ударяется о стекло - в результате несколько капелек находятся настолько близко друг к другу, что сливаются в одну.

Выводы 1. Мы пронаблюдали движение капель по оконному стеклу. 2. Исследовали разнообразные явления, наблюдавшиеся при этом. 3. Построили теоретическую модель поведения капли на стекле и подтвердили ее экспериментами. 4. Немного расширив условие задачи, посмотрели, что будет с каплей не только на оконных стеклах.