Необычные физические свойства жидкостей проявляются не только в условиях научной лаборатории, но и в реальной жизни. Наблюдать удивительное поведение воды можно и на Земле, и в космосе. При этом не имеет особого значения, из какого источника взята вода: из колодца, озера, реки или моря. Пробы воды, набранные из разных источников, будут отличаться химическим составом, а проявление физических качеств останутся неизменными.

Поведение воды при воздействии силы тяжести

На воду, как и на любую другую жидкость, налитую в какую-либо емкость, под влиянием земной гравитации действует сила притяжения, которая прижимает жидкость ко дну сосуда. В то же время присутствуют силы поверхностного натяжения, заставляющие воду занимать как можно меньший объем. Эти силы позволяют налить воды в сосуд чуть больше, чем позволяет его объем. Вода как будто собирается шапкой над краями стенок. Выливаться ей не дает сила поверхностного натяжения.

Действие этой силы можно наблюдать, когда положенная на поверхность воды иголка остается плавать. Еще одно проявление силы поверхностного натяжения проявляется, когда вода выливается из наклоненного сосуда: струя воды всегда принимает форму цилиндра. При наличии гравитации сила поверхностного натяжения и сила тяжести всегда уравновешены.

Вода на орбите

Все тела в космическом корабле, находящемся на орбите планеты, пребывают в состоянии невесомости. Поэтому на воду в салоне космического аппарата в большей степени начинает действовать сила поверхностного натяжения. Известно, что шар, как геометрическое тело, обладает наименьшей площадью поверхности при одинаковом с другими телами объеме. Следовательно, вода, вылитая из сосуда в условиях невесомости, соберется в шарики и будет плавать в воздухе, так как не имеет веса.

Кстати, вода, налитая в бутылку, также «плавает» в ней в виде множества шариков и капель, и заполнение бутылки водой полностью вызовет определенные затруднения: наливаемая вода будет вытеснять из бутылки воздух вместе с шариками воды. В бутылке останется только та вода, которая прилипнет к стенкам. Стоит отметить, что в салоне космического корабля отсутствует душ, потому что выливающаяся из душевой лейки вода, само собой разумеется, не вытечет в сливное отверстие, а будет разлетаться шариками по душевой кабине. Вместо душа в гигиенических целях космонавты используют влажные полотенца, ставшие прототипами всем известным влажным салфеткам.

А знаете ли вы?..

Орбитальные станции «Салют» были оборудованы душем: вода в кабинку подавалась вместе со струей сжатого воздуха, а потом всасывалась как пылесосом в слив. Технология была признана нерентабельной из-за значительного расхода воды, и современную МКС душевыми кабинками не оснастили.

"Необычные проявления свойств воды в невесомости", БК "ПОИСК" , рассказать друзьям: Май 21st, 2017

Мы привыкли к мысли о том, что капля имеет форму шара. На самом деле она почти никогда не является шаром, хотя эта форма обеспечивает наименьший объем.

Капля, покоящаяся на горизонтальной поверхности сплющена.

Сложную форму имеет падающая в воздухе капля. И только капля, находящаяся в состоянии невесомости принимает совершенно сферическую форму.

Создать условия, близкие к состоянию невесомости можно, если скомпенсировать силу тяжести выталкивающей силой.

В моем опыте я использовала обычное растительное масло и воду. Так как плотность масла немного меньше плотности воды, то действие силы тяжести ослабевает и можно наблюдать разные стадии образования капли и ее отрыва.

В момент образования капли она приобретает вытянутую форму, т. к. несмотря на силы поверхностного натяжения, которые стремятся придать капле сферическую поверхность, сила тяжести, стремится расположить центр масс капли как можно ниже. Вытянутая форма – результат этих усилий.

По мере роста капли, ее основная масса собирается внизу и у капли появляется шейка.

Сила поверхностного натяжения направлена в противоположно силе тяжести. И в момент, когда сила тяжести хотя бы на немного превосходит силы поверхностного натяжения капля отрывается. Шейка в этот момент быстро сужается и капля отрывается.

При этом от шейки отрывается маленькая капелька, которая падает вслед за большой.

Наблюдая за процессом образования капель, я заметила, что маленькие капельки имеют форму шариков, а большие – вытянутые вдоль горизонтальной оси.

Чтобы объяснить это явление, попробуем определить радиус капли, при котором она перестает быть сферичной.

При равномерном движении капли сила тяжести должна быть уравновешена силами поверхностного натяжения.

А для этого необходимо выполнение условия:

ρgh = σ(/R (1), где ρgh – гидростатическое давление жидкости.

Здесь h = 2R; σ(/R – лапласовское давление внутри капли.

Здесь следует учесть, что σ(= 2σ (коэффициент поверхностного натяжения).

Перепишем уравнение (1) с учетом этих значений и выразим предельный радиус капли 2Rgρ = 2R²g ρ= 2σ R= =

Подставим численные значения в эту формулу:

(= 7,4 * 10н/м (= 1000 g = 10

R = = 2,7*10м = 2,7 мм

Это значит, что капелька воды будет иметь сферическую форму, если ее радиус не превышает 3 мм. На не смачиваемой поверхности капля сохраняет сферическую форму благодаря силам поверхностного натяжения. Но если гидростатическое давление становится больше лапласовского, капля растекается и дробится на более мелкие.

Аналогичный расчет можно сделать и для других жидкостей. Например, для керосина и ртути предельный радиус сферической капли (2 мм, для спирта – 1,7 мм.

Теперь понятно, почему капли не бывают слишком крупными.

Картинка в посте ПОЧЕМУ НА ЭКВАТОРЕ КАПЕЛЬКА ВОДЫ ИДЕАЛЬНО ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ? была отсюда - очень интересной научной статьи о том, какую форму принимает вода в невесомости...

Рис. 1 . Диаграмма стабильности форм капель. По вертикальной оси (оси ординат) отложена безразмерная угловая скорость вращения, по горизонтальной оси (оси абсцисс) — безразмерный момент импульса вращения жидкости капли. . Рис. с сайта physics.aps.org

ТОР - форма воды...

Физики из Ноттингемского университета провели ряд экспериментов по определению формы водяных капель, подвешенных в пространстве с помощью диамагнитной левитации . Было показано, что при определенных условиях капли в равновесии могут принимать не только шарообразную или овальную форму, но также треугольную, четырех- и даже пятиугольную . Результаты исследований могут быть использованы как для объяснения структур астрономических объектов (черные дыры, пояс Койпера), так и в описании быстровращающихся атомных ядер.

То, что капля жидкости в отсутствие гравитации имеет форму шара , кажется очевидным, но подтвердить этот факт экспериментально смог лишь в 1863 году бельгийский физик Жозеф Плато (Joseph Plateau), давно ослепший к тому времени, после того как он однажды 25 секунд не отрываясь смотрел на полуденное солнце. Для доказательства он поместил каплю оливкового масла в водно-спиртовую смесь, имевшую такую же плотность, как и масло. Уравновешивая силу тяжести, действующую на каплю, архимедовой (выталкивающей) силой, ученый добивался состояния невесомости капли. В результате таких манипуляций капля принимала сферическую форму. Бельгийский ученый также провел эксперименты по вращению капли и наблюдению за происходящими с ней в результате этого метаморфозами. Плато удалось установить, что, по мере возрастания скорости вращения оливкового масла, капля меняла свою форму с шарообразной на овальную, а далее трансформировалась в двудольную структуру, напоминающую сильно вытянутый овал. И наконец, при очень большой скорости вращения капля становилась тором . Схематически изменение формы капли с увеличением скорости вращения жидкости в ней изображено на рис. 1.

Рис. 1 . Диаграмма стабильности форм капель. По вертикальной оси (оси ординат) отложена безразмерная угловая скорость вращения, по горизонтальной оси (оси абсцисс) — безразмерный момент импульса вращения жидкости капли. Сплошная линия на диаграмме соответствует устойчивой форме капли, пунктирная — нестабильной структуре . Рис. с сайта physics.aps.org

К сожалению, опыты Плато не были совершенными по одной простой причине. Среда, которая окружала исследуемый объект в его опытах, за счет сил вязкости оказывает нежелательное дополнительное воздействие на форму капли. А потому результаты исследований бельгийского физика носили лишь качественный характер. И на протяжении 150 лет с момента экспериментов бельгийца главным препятствием на пути к количественному описанию процесса вращения и трансформации формы капли оставалось влияние сил вязкого трения.

Сравнительно недавно эксперименты Плато были повторены в космическом корабле с капелькой кремниевого масла . Но подобные эксперименты, как несложно понять, удовольствие недешевое — не запускать же ради этого специальный космический корабль. А программы научных исследований в космосе и без того перенасыщены, так что там не всегда находится время для исследования капель. Значит, необходимо подобрать такие условия эксперимента, чтобы одновременно убрать как действие на исследуемый объект гравитации, так и эффекты вязкого окружения (в опытах Плато, например, это трение между каплей оливкового масла и окружающей ее смесью спирта и воды).

Физики из Ноттингемского университета предложили оригинальный способ компенсации гравитации . Они решили эту проблему, используя диамагнитную левитацию водяных капель (рис. 2). Результаты своих экспериментальных изысканий ученые из Ноттингема опубликовали в журнале Physics Review Letters в статье Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet (статья находится в открытом доступе ).

Дело в том, что некоторые вещества по своей магнитной природе являются диамагнетиками (например, та же вода ), то есть слабо пропускают внутрь себя магнитное поле (идеальным диамагнетиком является сверхпроводник ).

Рис. 2 . Схематические рисунки и принцип действия экспериментальной установки, использованной авторами для исследования формы водяных капель (см. пояснения в тексте). Изображения из обсуждаемой статьи

Однако частично, на небольшую глубину, магнитное поле всё же проникает в диамагнитное вещество и генерирует на его поверхности электрический ток . Этот ток создает в диамагнетике собственное магнитное поле, которое как бы отталкивается от поля внешнего . Таким образом, сопротивление проникновению внешнего магнитного поля и заставляет диамагнетики зависать, или левитировать, в пространстве . Но необходимо понимать, что для возникновения диамагнитной левитации внешнее поле должно быть очень сильным. В опытах с водяными каплями магнитное поле, заставляющее капли зависать, по физическим меркам было гигантским — 16,5 Тл (в несколько десятков тысяч раз сильнее магнитного поля Земли). Интересно, что таким образом можно заставить левитировать не только водяные капли, но даже кузнечиков и лягушек (см. видео).

После того как задача об уничтожении силы тяжести была успешно решена (проблема окружающей среды при этом решении уже отпадает — вязкое трение со стороны воздуха ничтожно), необходимо было придумать механизм, который заставил бы жидкость внутри подвешенных водяных капель вращаться так же, как в опытах Плато. Решение этой задачи тоже оказалось «магнитным». Ученые создали «жидкий электрический мотор» : в каплю вставлялось два тонких золотых электрода, один из которых совпадал с осью симметрии капли (рис. 2а); через электроды пропускался ток, направление протекания которого было перпендикулярно силовым линиям внешнего магнитного поля.

В итоге возникающий момент силы Лоренца заставлял жидкость внутри капли вращаться, и частота этого вращения зависела от силы тока, протекающего между электродами (рис. 2b). Интересной дополнительной особенностью «жидкого электрического мотора» является способность неосевого (то есть несовпадающего с осью симметрии капли) электрода создавать на капле поверхностные волны небольшой амплитуды. Для чего это было необходимо, станет ясно дальше.

С помощью изобретенной авторами статьи техники удалось наблюдать различные формы капель. В частности, при вращении жидкости внутри таких объектов, согласно теоретическим предсказаниям, существует возможность наблюдать их переход из двудольной формы в треугольную (трехдольную), причем последняя структура, как предсказывает та же теория, должна быть неустойчива . На примере водяной капли объемом 1,5 мл (что соответствует диаметру 14 мм), у которой с помощью поверхностно-активного вещества коэффициент поверхностного натяжения уменьшен вдвое, английские ученые впервые показали, что, вопреки теоретическим предсказаниям, можно добиться устойчивости треугольной формы. Стабилизация достигалась за счет комбинации вращения капли и генерирования на ней поверхностных волн. Таким образом, поверхностные волны играли роль своего рода стабилизатора треугольной формы водяной капли.

Как оказалось, возбуждение на капле поверхностных волн вкупе с ее вращением позволяет получить значительное многообразие форм водяных капель, о которых Плато, возможно, даже и не догадывался .

Рис. 3 . Верхний рисунок — график изменения формы водяной капли объемом 1,5 мл со временем при изменении частоты вращения жидкости. График во вставке — зависимость тока между электродами от времени. Рисунки а-f — последовательность фотографий, показывающих изменение формы водяной капли. Название фотографий (М1, М2, М3, М4) соответствует названиям видеофайлов, демонстрирующих эволюцию формы капли. См. подробности в тексте. Рисунок и фотографии из обсуждаемой статьи

На рис. 3 приведена временная эволюция 1,5 мл водяной капли с поверхностно-активным веществом в своем составе при изменении частоты вращения (rps — количество оборотов в секунду). Несколько пояснений к графику. При малой частоте вращения и отсутствии поверхностных волн на капле ее форма напоминает сплюснутый сфероид (oblate spheroid) — проще говоря, форма капли овальная . После того как с помощью тока были активизированы поверхностные волны, а скорость вращения жидкости внутри капли продолжала увеличиваться, ее форма трансформировалась в сильно вытянутый овал — иными словами, стала двудольной (красная область на графике и снимок M1b под графиком). Желтый участок графика соответствует области, когда капля начинает вращаться вокруг своей оси как твердое тело (как единое целое) и когда одновременно с этим по капле «гуляют» поверхностные волны. В итоге капля выглядит так, как это показано на фотографии M1c — ученые такую форму капли назвали двудольная статическая + вращающаяся.

Дальнейшее увеличение силы тока и скорости вращения превращает каплю из овальной (двудольной) в треугольную (при этом динамическое поведение капли не твердотельное) — зеленая область на графике и фото М2. Далее, когда поверхностные волны стабилизировали такую структуру водяной капли, увеличивая скорость вращения можно добиться явления, при котором капля начинает себя вести подобно твердому телу — вращается как единое целое . (ТОР - форма вращающегося круга по спирали - Уроборос по Блаватсвкой, упоминается и у Ивана Ефремова, и вообще много где упоминается:) На графике эта область отражена синим цветом (см. также фото М4). Обращает на себя внимание существование переходной области, когда капля только начинает себя вести как твердое тело (см. фото М3). На графике такая область соответствует градации зеленого и синего цветов.

Несколько богаче в эволюционном отношении проявляет себя капля воды объемом 3 мл уже без добавок поверхностно-активных веществ (рис. 4). До некоторого времени поведение большей капли ничем качественно не отличается от рассмотренного выше. Однако, как это видно из рис. 4, на пятой минуте эксперимента при монотонно возрастающей угловой скорости вращения жидкости есть возможность наблюдать четырех- и даже пятиугольную форму капли (голубая и фиолетовые области на графике и фото М10 и М11), которая, однако, не ведет себя как твердое тело. Справедливости ради отметим, что такая форма не является устойчивой и со временем вырождается в двудольную (сильно вытянутый овал, фото М12), поведение которой соответствует вращающемуся твердому телу.

Здесь в виде zip-архива представлена галерея из 12 коротких фильмов, показывающих эволюцию водяных капель, изученных английскими учеными. Приведенные выше фото М1-М12 являются стоп-кадрами этих фильмов и соответствуют названиям фильмов: на видеофайлах М1-М4 заснята капля 1,5 мл, М5-М12 показана капля воды объемом 3 мл.

Рис. 4 . Верхний рисунок — график изменения формы водяной капли объемом 3 мл со временем при изменении частоты вращения жидкости. График во вставке — зависимость тока между электродами от времени. Рисунки а-h — последовательность фотографий, показывающих изменение формы водяной капли. Название фотографий (М5, М6 ... M12) соответствует названиям видеофайлов, демонстрирующих эволюцию формы капли. См. подробности в тексте. Рисунок и фотографии из обсуждаемой статьи

Эксперименты с каплями воды, по мнению ученых, представляют не только академический интерес. Поскольку стабилизация формы капли происходила вследствие сложного взаимодействия ее вращения и поверхностных волн на ней, то результаты опытов могут быть использованы в описании схожих физических явлений — как значительно большего (астрономического), так и меньшего (ядерного) масштаба. Например, при изучении формы объектов пояса Койпера, горизонта событий черных дыр или при исследовании форм быстровращающихся атомных ядер. (Кстати, заметим, что идея использовать «капельный» подход в описании характеристик атомных ядер уже довольно стара — достаточно вспомнить о полуэкспериментальной формуле Вайцзеккера, которая описывает энергию связи атомных ядер; правда, само это выражение на современном этапе развития науки уже не используется.)

Источник. R. J. A. Hill, L. Eaves. Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet (полный текст — PDF, 3,45 Мб, дополнительные материалы к статье — PDF, 287 Кб) // Physical Review Letters, 101, 234501 (2008).

Казалось бы, что может быть проще капли? А оказывается, этот физический объект имеет массу секретов.

Какая форма у капли?

Очень часто падающие капли изображают следующим образом:

Это изображение не верно . На самом деле, во время падения, капля пребывает в состоянии невесомости, и силы поверхностного натяжения придают ей сферическую форму. Не стоит забывать, что вода имеет достаточный коэффициент поверхностного натяжения:

σ= 72,86·10 -3 Н/м

Представление, будто бы капля имеет вытянутый заостренный кончик связано с тем, что человек способен различать ее очертания только в процессе ее образования. Падает же капля быстро, и человек не в состоянии определить ее форму:

Однако, кроме сил поверхностного натяжения, могут действовать и другие силы, которые тоже повлияют на форму капли. Вот что об этом написано в Википедии :

Форма капли определяется совокупным действием поверхностного натяжения и других внешних сил (в первую очередь силы тяжести, а при высоких скоростях - аэродинамическими силами). Микроскопические капли, для которых сила тяжести не играет определяющей роли, имеют форму шара - тела с минимальной для данного объёма поверхностью. Крупные капли в земных условиях имеют шарообразную форму только при равенстве плотностей жидкости капли и окружающей её среды.
Падающие дождевые капли под действием силы тяжести, давления встречного потока воздуха и поверхностного натяжения принимают вытянутую форму. На несмачиваемых поверхностях капли приобретают форму приплюснутого шара.

Не стоит забывать, что в капле могут происходить колебания, в результате которых по ее поверхности будут распространятся волны. Подробнее об этом и не только предлагаю посмотреть ролик снятый в МКС , в условиях полной невесомости астронавт Дон Петтит экспериментирует с каплей (водяным пузырем) 130 мм в диаметре!:

Картинка в посте была отсюда - очень интересной научной статьи о том, какую форму принимает вода в невесомости...

Рис. 1 . Диаграмма стабильности форм капель. По вертикальной оси (оси ординат) отложена безразмерная угловая скорость вращения, по горизонтальной оси (оси абсцисс) — безразмерный момент импульса вращения жидкости капли. . Рис. с сайта physics.aps.org

ТОР - форма воды...

Физики из Ноттингемского университета провели ряд экспериментов по определению формы водяных капель, подвешенных в пространстве с помощью диамагнитной левитации . Было показано, что при определенных условиях капли в равновесии могут принимать не только шарообразную или овальную форму, но также треугольную, четырех- и даже пятиугольную . Результаты исследований могут быть использованы как для объяснения структур астрономических объектов (черные дыры, пояс Койпера), так и в описании быстровращающихся атомных ядер.

То, что капля жидкости в отсутствие гравитации имеет форму шара , кажется очевидным, но подтвердить этот факт экспериментально смог лишь в 1863 году бельгийский физик Жозеф Плато (Joseph Plateau), давно ослепший к тому времени, после того как он однажды 25 секунд не отрываясь смотрел на полуденное солнце. Для доказательства он поместил каплю оливкового масла в водно-спиртовую смесь, имевшую такую же плотность, как и масло. Уравновешивая силу тяжести, действующую на каплю, архимедовой (выталкивающей) силой, ученый добивался состояния невесомости капли. В результате таких манипуляций капля принимала сферическую форму. Бельгийский ученый также провел эксперименты по вращению капли и наблюдению за происходящими с ней в результате этого метаморфозами. Плато удалось установить, что, по мере возрастания скорости вращения оливкового масла, капля меняла свою форму с шарообразной на овальную, а далее трансформировалась в двудольную структуру, напоминающую сильно вытянутый овал. И наконец, при очень большой скорости вращения капля становилась тором . Схематически изменение формы капли с увеличением скорости вращения жидкости в ней изображено на рис. 1.

Рис. 1 . Диаграмма стабильности форм капель. По вертикальной оси (оси ординат) отложена безразмерная угловая скорость вращения, по горизонтальной оси (оси абсцисс) — безразмерный момент импульса вращения жидкости капли. Сплошная линия на диаграмме соответствует устойчивой форме капли, пунктирная — нестабильной структуре . Рис. с сайта physics.aps.org

К сожалению, опыты Плато не были совершенными по одной простой причине. Среда, которая окружала исследуемый объект в его опытах, за счет сил вязкости оказывает нежелательное дополнительное воздействие на форму капли. А потому результаты исследований бельгийского физика носили лишь качественный характер. И на протяжении 150 лет с момента экспериментов бельгийца главным препятствием на пути к количественному описанию процесса вращения и трансформации формы капли оставалось влияние сил вязкого трения.

Сравнительно недавно эксперименты Плато были повторены в космическом корабле с капелькой кремниевого масла . Но подобные эксперименты, как несложно понять, удовольствие недешевое — не запускать же ради этого специальный космический корабль. А программы научных исследований в космосе и без того перенасыщены, так что там не всегда находится время для исследования капель. Значит, необходимо подобрать такие условия эксперимента, чтобы одновременно убрать как действие на исследуемый объект гравитации, так и эффекты вязкого окружения (в опытах Плато, например, это трение между каплей оливкового масла и окружающей ее смесью спирта и воды).

Физики из Ноттингемского университета предложили оригинальный способ компенсации гравитации . Они решили эту проблему, используя диамагнитную левитацию водяных капель (рис. 2). Результаты своих экспериментальных изысканий ученые из Ноттингема опубликовали в журнале Physics Review Letters в статье Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet (статья находится в открытом доступе ).

Дело в том, что некоторые вещества по своей магнитной природе являются диамагнетиками (например, та же вода ), то есть слабо пропускают внутрь себя магнитное поле (идеальным диамагнетиком является сверхпроводник ).

Рис. 2 . Схематические рисунки и принцип действия экспериментальной установки, использованной авторами для исследования формы водяных капель (см. пояснения в тексте). Изображения из обсуждаемой статьи

Однако частично, на небольшую глубину, магнитное поле всё же проникает в диамагнитное вещество и генерирует на его поверхности электрический ток . Этот ток создает в диамагнетике собственное магнитное поле, которое как бы отталкивается от поля внешнего . Таким образом, сопротивление проникновению внешнего магнитного поля и заставляет диамагнетики зависать, или левитировать, в пространстве . Но необходимо понимать, что для возникновения диамагнитной левитации внешнее поле должно быть очень сильным. В опытах с водяными каплями магнитное поле, заставляющее капли зависать, по физическим меркам было гигантским — 16,5 Тл (в несколько десятков тысяч раз сильнее магнитного поля Земли). Интересно, что таким образом можно заставить левитировать не только водяные капли, но даже кузнечиков и лягушек (см. видео).

После того как задача об уничтожении силы тяжести была успешно решена (проблема окружающей среды при этом решении уже отпадает — вязкое трение со стороны воздуха ничтожно), необходимо было придумать механизм, который заставил бы жидкость внутри подвешенных водяных капель вращаться так же, как в опытах Плато. Решение этой задачи тоже оказалось «магнитным». Ученые создали «жидкий электрический мотор» : в каплю вставлялось два тонких золотых электрода, один из которых совпадал с осью симметрии капли (рис. 2а); через электроды пропускался ток, направление протекания которого было перпендикулярно силовым линиям внешнего магнитного поля.

В итоге возникающий момент силы Лоренца заставлял жидкость внутри капли вращаться, и частота этого вращения зависела от силы тока, протекающего между электродами (рис. 2b). Интересной дополнительной особенностью «жидкого электрического мотора» является способность неосевого (то есть несовпадающего с осью симметрии капли) электрода создавать на капле поверхностные волны небольшой амплитуды. Для чего это было необходимо, станет ясно дальше.

С помощью изобретенной авторами статьи техники удалось наблюдать различные формы капель. В частности, при вращении жидкости внутри таких объектов, согласно теоретическим предсказаниям, существует возможность наблюдать их переход из двудольной формы в треугольную (трехдольную), причем последняя структура, как предсказывает та же теория, должна быть неустойчива . На примере водяной капли объемом 1,5 мл (что соответствует диаметру 14 мм), у которой с помощью поверхностно-активного вещества коэффициент поверхностного натяжения уменьшен вдвое, английские ученые впервые показали, что, вопреки теоретическим предсказаниям, можно добиться устойчивости треугольной формы. Стабилизация достигалась за счет комбинации вращения капли и генерирования на ней поверхностных волн. Таким образом, поверхностные волны играли роль своего рода стабилизатора треугольной формы водяной капли.

Как оказалось, возбуждение на капле поверхностных волн вкупе с ее вращением позволяет получить значительное многообразие форм водяных капель, о которых Плато, возможно, даже и не догадывался .

Рис. 3 . Верхний рисунок — график изменения формы водяной капли объемом 1,5 мл со временем при изменении частоты вращения жидкости. График во вставке — зависимость тока между электродами от времени. Рисунки а-f — последовательность фотографий, показывающих изменение формы водяной капли. Название фотографий (М1, М2, М3, М4) соответствует названиям видеофайлов, демонстрирующих эволюцию формы капли. См. подробности в тексте. Рисунок и фотографии из обсуждаемой статьи

На рис. 3 приведена временная эволюция 1,5 мл водяной капли с поверхностно-активным веществом в своем составе при изменении частоты вращения (rps — количество оборотов в секунду). Несколько пояснений к графику. При малой частоте вращения и отсутствии поверхностных волн на капле ее форма напоминает сплюснутый сфероид (oblate spheroid) — проще говоря, форма капли овальная . После того как с помощью тока были активизированы поверхностные волны, а скорость вращения жидкости внутри капли продолжала увеличиваться, ее форма трансформировалась в сильно вытянутый овал — иными словами, стала двудольной (красная область на графике и снимок M1b под графиком). Желтый участок графика соответствует области, когда капля начинает вращаться вокруг своей оси как твердое тело (как единое целое) и когда одновременно с этим по капле «гуляют» поверхностные волны. В итоге капля выглядит так, как это показано на фотографии M1c — ученые такую форму капли назвали двудольная статическая + вращающаяся.

Дальнейшее увеличение силы тока и скорости вращения превращает каплю из овальной (двудольной) в треугольную (при этом динамическое поведение капли не твердотельное) — зеленая область на графике и фото М2. Далее, когда поверхностные волны стабилизировали такую структуру водяной капли, увеличивая скорость вращения можно добиться явления, при котором капля начинает себя вести подобно твердому телу — вращается как единое целое . (ТОР - форма вращающегося круга по спирали - Уроборос по Блаватсвкой, упоминается и у Ивана Ефремова, и вообще много где упоминается:) На графике эта область отражена синим цветом (см. также фото М4). Обращает на себя внимание существование переходной области, когда капля только начинает себя вести как твердое тело (см. фото М3). На графике такая область соответствует градации зеленого и синего цветов.

Несколько богаче в эволюционном отношении проявляет себя капля воды объемом 3 мл уже без добавок поверхностно-активных веществ (рис. 4). До некоторого времени поведение большей капли ничем качественно не отличается от рассмотренного выше. Однако, как это видно из рис. 4, на пятой минуте эксперимента при монотонно возрастающей угловой скорости вращения жидкости есть возможность наблюдать четырех- и даже пятиугольную форму капли (голубая и фиолетовые области на графике и фото М10 и М11), которая, однако, не ведет себя как твердое тело. Справедливости ради отметим, что такая форма не является устойчивой и со временем вырождается в двудольную (сильно вытянутый овал, фото М12), поведение которой соответствует вращающемуся твердому телу.

Здесь в виде zip-архива представлена галерея из 12 коротких фильмов, показывающих эволюцию водяных капель, изученных английскими учеными. Приведенные выше фото М1-М12 являются стоп-кадрами этих фильмов и соответствуют названиям фильмов: на видеофайлах М1-М4 заснята капля 1,5 мл, М5-М12 показана капля воды объемом 3 мл.

Рис. 4 . Верхний рисунок — график изменения формы водяной капли объемом 3 мл со временем при изменении частоты вращения жидкости. График во вставке — зависимость тока между электродами от времени. Рисунки а-h — последовательность фотографий, показывающих изменение формы водяной капли. Название фотографий (М5, М6 ... M12) соответствует названиям видеофайлов, демонстрирующих эволюцию формы капли. См. подробности в тексте. Рисунок и фотографии из обсуждаемой статьи

Эксперименты с каплями воды, по мнению ученых, представляют не только академический интерес. Поскольку стабилизация формы капли происходила вследствие сложного взаимодействия ее вращения и поверхностных волн на ней, то результаты опытов могут быть использованы в описании схожих физических явлений — как значительно большего (астрономического), так и меньшего (ядерного) масштаба. Например, при изучении формы объектов пояса Койпера, горизонта событий черных дыр или при исследовании форм быстровращающихся атомных ядер. (Кстати, заметим, что идея использовать «капельный» подход в описании характеристик атомных ядер уже довольно стара — достаточно вспомнить о полуэкспериментальной формуле Вайцзеккера, которая описывает энергию связи атомных ядер; правда, само это выражение на современном этапе развития науки уже не используется.)

Источник. R. J. A. Hill, L. Eaves. Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet (полный текст — PDF, 3,45 Мб, дополнительные материалы к статье — PDF, 287 Кб) // Physical Review Letters, 101, 234501 (2008).