Почему капля шар кратко

Обновлено: 02.07.2024

Глядя на круглые капли росы или медленно капающую из неплотно закрытого крана воду, мы наблюдаем проявления поверхностного натяжения. Благодаря этому свойству, капли образуются шаровидные, а не бесформенные или, например, кубические. Как именно это происходит?

Под действием упомянутых сил наружный слой из молекул воды ведет себя подобно эластичной стягивающей пленке. То есть капля должна максимально сократить поверхность, сохранив объем. Среди всевозможных форм одинакового объема вариант с наименьшей площадью поверхности – шар. Капли именно такой формы образуются, если отсутствует влияние внешних сил (например, в невесомости).

Однако в повседневной жизни сил, препятствующих формированию идеального водного шара, трудно избежать. Земное тяготение, взаимодействия с поверхностями, соприкасающимися с каплей, могут ее деформировать, сделать более плоской.

В целом молекулы воды стремятся находиться в окружении себе подобных (внутри капли). А наименьшим числом молекул, граничащих с внешней средой (минимальной площадью поверхности), обладает капля, приобретшая форму, максимально напоминающую шар.

Наверняка вы обращали внимание, что хаотично разбросанные капли всегда имеют круглую форму. Почему капля круглая?

Проявление силы притяжения

Если внимательно присмотреться, то увидим, что форма капли вовсе не идеально круглая. Например, если смотреть снизу на капли дождя, то они кажутся почти плоскими. Идеальный шар возможен лишь в условиях невесомости. А поскольку мы находимся на Земле, капля (как и все тела на нашей планете) подвергается воздействию силы притяжения. Это делает её слегка сплюснутой. Поэтому по форме капля скорее не шар, а эллипсоид, хотя и с очень малым межфокальным расстоянием.

Какая ещё сила, кроме силы притяжения, действует на каплю? Сила поверхностного натяжения. Чтобы объяснить, как она действует, обратимся к курсу молекулярной физики.

Воздействие поверхностного натяжения

Поверхность капли можно рассматривать как плёнку, состоящую из молекул. Причём молекулы её внешних слоёв находятся не в равных условиях с молекулами внутренних. Молекулы внешнего слоя плёнки обладают большей свободной энергией. Стремясь сбросить избыток энергии и пытаясь проникнуть во внутренние слои капли, они создают давление. Вектор силы давления всегда направлен к центру капли. А та сила, с которой молекулы внешних слоёв капли давят на молекулы внутренних слоёв, называется силой поверхностного натяжения.

Таким образом, чем меньше капли, тем они более круглые. Их собирает в шар сила поверхностного натяжения. А вот капли побольше имеют вытянутую форму, потому что они слишком тяжёлые и этой силы уже недостаточно для того, чтобы удержать их в форме шара.

Шар как самая компактная форма в природе

Но вопрос остаётся открытым: почему же все-таки шаровидная форма? Вышеизложенная теория не вполне это объясняет. Дело в том, что на шаровой поверхности все молекулы, находящиеся на ней, находятся в равном энергетическом состоянии. Другими словами, шаровая поверхность наиболее энергетически стабильна, поскольку системе именно такое положение наиболее выгодно. Вообще, шар — самая компактная форма в природе.

Если каплю растянуть, то молекулы, находящиеся на растянутых областях, приобретают более высокую избыточную энергию. Стремясь сбросить излишек энергии, молекулы снова возвращают каплю в исходное состояние, что в итоге приводит систему в равновесие.

Капля не круглая, а эллипсоидная

Можно ли сделать каплю воды плоской? Да, и очень просто. Надо аккуратно прикоснуться к ней кончиком намыленной соломинки. Капля становится плоской потому, что мыло ослабляет поверхностное натяжение воды. Его силы уже не хватает на то, чтобы удерживать капельку в форме шара.

Как получаются мыльные пузыри? Когда мы добавляем в воду мыло, сила поверхностного натяжения уменьшается, а поверхность воды как бы растягивается и становится более эластичной. Настолько эластичной, что в неё можно вдуть воздух и при этом она растянется в пузырь. Это немного похоже на то, как если бы мы набрали воду в воздушный шарик.

Таким образом, капля воды не круглая, а эллипсоидная. Оболочки различных жидкостей имеют разную степень прочности. Например, спирт имеет меньшее поверхностное натяжение, чем вода, поэтому образует более мелкие капли. А ртуть, наоборот, имеет поверхностное натяжение в 6 раз больше, чем у воды. Поэтому когда разбивается термометр, она распадается на множество мелких шариков.

Сверкающие капли на листьях, утренняя роса на траве, весенняя капель, веселый дождь по лужам, подпрыгивающие капли жира на раскаленной сковороде, монотонно капающая вода из водопроводного крана .

Капли жидкости образуютс в основном:
- при истечении жидкости из отверстия,
- при стекании ее с края поверхности,
- при распылении жидкости,
- конденсации пара на несмачиваемых поверхностях.

Форма капли определяется действием внешних сил и сил поверхностного натяжения.

В состоянии равновесия, когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости стремится принять такую форму, чтобы иметь минимальную площадь, а это - форма шара ! Обычно шарообразную форму имеют микроскопические капли и капли, находящиеся в условиях невесомости.

Причем в условиях невесомости любой объем жидкости принимает строго сферическую форму.

Крупные капли в земных условиях принимают форму шара только в том случае, когд плотности жидкости и окружающей ее среды одинаковы. Падающие капли дождя имеют обычно несколько сплюснутую форму, поскольку испытывают одновременно влияние силы тяжести встречного воздушного потока и сил поверхностного натяжения.

На космической станции космонавтами был проведен опыт по сварке в невесомости. Нет ничего удобнее для капли, чем быть взвешенной в пространстве, в невесомости: ни с чем она не соприкасается, никакие силы ее не искажают и ни к каким изменениям она не стремится. Процесс сварки в космосе был запечатлен на кинопленке. Оказалось, что на кончике электрода формируется большая, почти сферическая, капля жидкого металла, существенно больше той, которая образуется при сварке в земных условиях. Капли жидкого металла, случайно оторвавшиеся от электрода, свободно парят около места сварки на поверхности.

. . .

В обычных земных условиях на смачиваемых поверхностях капли обычно растекаются, а на несмачиваемых принимают форму сплюснутых шаров.

Но и здесь жидкость принимает форму, при которой площадь ее поверхности оказывается минимальной. Сила поверхностного натяжения на границе раздела жидкости и газа будет стремиться придать капле сферическую форму. Это произойдет в том случае, если поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и твердого тела будет больше поверхностного натяжения на границе раздела газа и твердого тела.

Если наблюдается несмачивание поверхности твердого тела жидкостью, то форма капли будет определяться равнодействующей сил поверхностного натяжения и силы тяжести. Если капля большая, то она будет растекаться по поверхности, а если маленькая - стремиться к шарообразной форме.

Если поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и твердого тела меньше поверхностного натяжения на границе раздела газа и твердого тела, то капля приобретет такую форму, чтобы уменьшить площадь поверхности границы раздела газ-твердое тело, то есть будет растекаться по поверхности тела. В этом случае наблюдается смачивание жидкостью твердого тела.

. .

Это реальные фотографии капель жидкости , сделанных фотографом - художником Мартином Бара. Разнообразие фотографий капель объясняется физическими свойствами жидкостей (вязкостью, цветом, и т.д.) и условиями падения капель.

Плавающие капли. Опыт Плато.

Если в пробирку налить водный раствор спирта, и затем капнуть в него каплю масла (необходимо предусмотреть, чтобы плотность раствора и масла была одинаковой). Масло , не растворяется в спиртовом растворе, и капля приобретет форму сферы и повисает в растворе. Вследствие равенства плотности вещества капли и среды сила тяготения, действующая на каплю, оказывается равной выталкивающей архимедовой силе. На каплю действует только одна сила поверхностного натяжения, и капля принимает форму сферы, т е. форму, которая при данном объеме отличается минимальной поверхностью. Форма капли не зависит от размера. От истинной невесомости капля Плато заимствовала лишь сферическую форму. Она как бы в невесомости. Любая капля в невесомости будет сферической.

Как образуется капля при отрыве от тающей сосульки?

Набухающая капля увеличивает свой объем и, двигаясь по направлению к земле, вытягивает тонкую перемычку - связующее звено между сосулькой и каплей. Пока объем капли мал, она не отрывается, ее удерживают силы поверхностного натяжения. Отрыв происходит когда вес капли становится равен сумме сил поверхностного натяжения. Затем капля от перемычки отрывается и свободно падает, а оставшаяся перемычка начинает изменять свою форму. Она укорачивается, утолщается в нижней части и в виде сформировавшейся капельки отрывается от сосульки. Рождению каждой крупной капли сопутствует рождение еще одной маленькой капельки! Ее объем приблизительно в 1000 раз меньше объема первой капли, и мы ее часто не замечаем.

Судьба маленькой капли оказывается очень неожиданной. Возникнув, она не летит вслед за падающей большой, а, наоборот, начинает двигаться вверх, по направлению к сосульке. Иногда это движение оканчивается тем, что малая капля достигает сосульки и как бы поглощается ею, а иной раз, немного переместившись вверх, она летит вниз вслед за большой.

. .

Судьба маленькой капли зависит от того, какой толщины была перемычка, превратившаяся в капельку, а толщина перемычки зависит от того, насколько остра тающая сосулька. Капельки, возвращающиеся в сосульку, обычно рождаются сосульками остроконечными.

Если источником большой капли является не конусная сосулька, а плохо закрученный водопроводный кран, может оказаться, что перемычка будет настолько длинной, что из нее образуется не одна, а несколько маленьких капелек. Эти капельки действительно наблюдаются. Оказывается, что та из них, которая ближе всех расположена к источнику воды, обязательно хоть немного движется вверх, а все остальные такой попытки не делают и следуют вниз за большой каплей.

Как ведет себя капля жидкости на горячей сковороде?

Жидкость начинает интенсивно испаряться. Капля под действием образующихся паров поднимается над поверхностью на десятые доли мм и как бы лежит на "паровой подушке".

Сверхтонкие провода из капель жидкости.

Ученые Университета Пердью и физики Чикагского университета, разработали методику получения сверхтонких волокон из различных материалов, в том числе и проводящих электричество. Когда через специальное сопло одно вещество медленно выталкивается в среду с другой вязкостью (подобно тому, как вытекают капли воды из водопроводного крана), происходит образование капли. При этом процесс отделения капли сопровождается появлением тонкого канала между соплом и формирующийся каплей. Длина этого формирующегося при каплеобразовании канала тем больше (а толщина - меньше), чем больше отношение вязкости внешней жидкости к вязкости жидкости, из которой образуется капля. Если образовывать капли из специального вещества, которое полимеризуется на свету, то можно получать из негтончайшие волокна. Этим способом в будущем можно будет получать тончайшие гибкие волокна из прочнейших материалов и сверхминиатюрные проводники электричества

. .

Брызги бывают только на Земле?

Брызги обеспечивает воздух. При ударе капли о плоскую поверхность она брызгами разлетается в разные стороны. Кто в этом виноват - капля, содержащая брызги, или поверхность, о которую она бьется? Ни та ни другая. Главный виновник брызг - воздух. Нет воздуха - нет всплеска. Американские исследователи пытались измерить энергию жидких капелек, отлетающих от большой капли при ударе.. Чтобы исключить влияние воздуха, эксперимент проводился в вакуумной камере. Давление воздуха в ней регулировалось. Ученые обнаружили, что чем меньше давление, тем меньше разбрызгивается жидкость. Брыгзи полностью прекратились, когда давление достигло примерно 0.2 бар.

Наверняка вы когда-нибудь смотрели на дождь, недоумевая и удивляясь тому, как капли дождя падают на него. Капли, которые всегда имеют форму круглой или овальной формы, и вы лично видите, как они падают, как иглы. Какие загадки скрываются за образованием капель воды? Что скрывается под поверхностью крошечных капелек воды и почему они образуются?

Если хотите разгадать все эти загадки и сомнения, продолжайте читать 🙂

Капля воды

Вода - самый распространенный элемент, существующий на поверхности земли. Благодаря воде может развиваться жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Если бы не она, не было бы рек, озер, морей и океанов. Более того, мы не могли жить так как мы на 70% состоят из воды.

Воду можно найти во всех трех состояниях: твердом (в форме льда), жидком (вода) и газе (водяной пар). Его изменение состояния полностью зависит от температуры и давления. Когда тепло воздействует на лед, его энергия увеличивает колебания молекул воды внутри него, и он начинает таять. Если это тепло продолжится, частицы разделятся настолько, что превратятся в газ. Водяной пар они всего лишь маленькие капельки воды. Но .

Почему образуются капли воды?

Указывая на молекулы, из которых состоит вода, мы делаем ее круглой, похожей на шары, которые удерживаются вместе за счет вибрации и вращения. Если это было так, то почему, когда пролитая вода не растекается до толщины одной молекулы? Это происходит из-за того, что называется поверхностное натяжение. Благодаря поверхностному натяжению, которое существует между молекулами, мы можем заставить иглу плавать по поверхности стакана, а насекомые-сапожники могут ходить по воде.

Чтобы понять это, нужно знать, что происходит внутри жидкости. Вода состоит из молекул, а они, в свою очередь, являются атомами. Каждый атом имеет положительные заряды (протоны) и отрицательные заряды (электроны), и они имеют ту или иную форму, в зависимости от типа молекулы, которую они образуют. Иногда электронная оболочка больше притягивается друг к другу, а иногда протоны и электроны. Следовательно, мы знаем, что существуют силы притяжения и отталкивания.

Когда мы смотрим на молекулу внутри жидкости, мы можем видеть, как она полностью окружена большим количеством молекул и где все существующие межмолекулярные силы нейтрализуют друг друга. Если бы один выстрелил влево, другой выстрелил бы вправо с такой же интенсивностью, поэтому они компенсировали бы друг друга. Это заставляет молекулы меньше энергии и более стабильны. Всегда ищут состояние, требующее наименьших затрат энергии на поддержание, что горячее остывает, что очень высокое падает и т. Д.

Дело усложняется при наблюдении за молекулами, находящимися в поверхностном слое воды. Эти молекулы не полностью окружены другими молекулами. Они получают силу только с одной стороны, но не с другой. Чтобы решить эту проблему, молекулы меняют свое положение, пытаясь найти форму, чтобы минимизировать занимаемую ими площадь поверхности. Для того же объема геометрическое тело с наименьшей площадью поверхности - сфера.

По всем этим причинам капли воды образуются, когда вода наливается в форму круга или шара. Это также причина того, что предметы, которые имеют небольшую массу и плотнее воды (например, насекомые-сапожники), могут плавать, поскольку поверхность воды имеет тенденцию не ломаться, чтобы внутрь попало инородное тело.

Поверхностное натяжение в воде выше, чем в других жидкостях, поскольку геометрия ее молекул угловатая и вызывает большее количество сил.

Почему капли дождя имеют форму слезы?

После объяснения причины, по которой образуются капли воды, пора объяснить, почему эти капли принимают форму слезы, когда падают с неба во время дождя.

Обычно изображается капля воды в форме капли. Однако, если эти капли не падают на окно, оно не имеет подобной формы. Маленькие капли дождя имеют радиусом менее миллиметра и имеют сферическую форму. Самые большие из них приобретают форму булочек для гамбургеров, когда достигают значений радиуса более 4,5 мм. Когда это происходит, капли деформируются в парашют с трубкой с водой вокруг основания и распределяются на более мелкие капли.

Это изменение формы водяных капель происходит в результате натяжения двух одновременно действующих сил. Первый ранее видимое поверхностное натяжение, а второе - давление воздуха, слой, чтобы подтолкнуть основание капли вверх по мере ее падения. Когда капля воды меньше, поверхностное натяжение оказывает большую силу, чем давление воздуха, так что капля принимает форму сферы. По мере увеличения размера капли воды увеличивается скорость, с которой она падает, так что увеличивается и сила, с которой давление воздуха действует на каплю воды. Это приводит к тому, что капля становится более плоской и внутри нее образуется углубление.

Когда радиус капли превышает 4 мм, углубление в центре капли увеличивается так, что образует сумка с водным кольцом сверху и из этой большой капли образуется несколько маленьких.

Обладая этой информацией, вы сможете узнать немного больше о каплях воды и о том, почему они имеют такую форму, когда находятся в разных местах. Теперь вы можете заглянуть в окно с большим знанием элемента, который дает нам жизнь.

Содержание статьи соответствует нашим принципам редакционная этика. Чтобы сообщить об ошибке, нажмите здесь.

Читайте также: