Физика жидкости в условиях невесомости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: Физика жидкости в условиях невесомости

Введение

О роли силы поверхностного натяжения в условиях невесомости.

В обычных земных условиях, на любую жидкость, налитую в сосуд действует несколько сил. В результате воздействия силы тяжести, она постоянно находится на дне сосуда, в который налита. Так же имеют место силы поверхностного натяжения жидкости, которые постоянно стремятся уменьшить площадь поверхности жидкости.

Поверхностным натяжением называется сила, испытываемая молекулами жидкости на поверхности (сильнее всего на границе газ - жидкость) и направленная в глубину объема жидкости. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку.

Именно благодаря этой силе даже игла может плавать на поверхности воды. Именно благодаря силе поверхностного натяжения, струя воды "слипается" в цилиндр. В земных условиях силы поверхностного натяжения малы по сравнению и действие этих сил не всегда заметно.

Теперь, представим себе, что мы находимся в кабине космического корабля, в невесомости. Все объекты плавают по кабине нашего космического корабля. Мы знаем, что сила тяжести продолжает воздействовать на все объекты вокруг, ведь полёт космического корабля - это постоянное падение под её воздействием. И тела внутри корабля и сам корабль падают с одинаковым ускорением, поэтому тела не воздействуют на свою опору, то есть, не имеют веса. Действие силы тяжести как будто бы не проявляется. невесомость жидкость капиллярность кипение

И тут, главную роль начинают играть силы поверхностного натяжения.

1. Форма поверхности жидкости в условиях невесомости

Если выплеснуть жидкость из сосуда, она не польётся на пол (невесомость же), а будет плавать по кабине корабля. Не просто плавать, а плавать, собравшись в шар и, чтобы его разрушить, нужны немалые усилия.

Почему так происходит? Всё дело в том, что силы поверхностного натяжения всегда стремятся уменьшить площадь поверхности жидкости. А шар примечателен тем, что из всех геометрических тел при равном объёме он обладает минимальной площадью поверхности. также форма шара - это уровень низшей потенциальной энергии, все тела "рвутся" к такому состоянию. Сила поверхностного натяжения жидкости "стягивает" ее в такую форму. В условиях невесомости любой объем жидкости может принять строго сферическую форму!!! В земных условиях шарообразную форму имеют микроскопические капли. Крупные капли могут принять форму шара только в том случае, когда плотности жидкости и окружающей ее среды одинаковы. В стакан с водой с помощью шприца будем очень аккуратно и осторожно приливать спирт, чтобы жидкости не перемешались. Затем в спирт вольем чайную ложечку растительного масла. И вот словно в кабине космического корабля масло собралось в шарики! Они как бы парят на границе раздела масла и воды.

Впервые подобный опыт в 1863 году поставил бельгийский физик Жозеф Плато. 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, капля меняла свою форму с шарообразной на овальную. И, наконец, при очень большой скорости вращения капля становилась тором.

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 для объяснения структур астрономических объектов (черные дыры, пояс Койпера и других).

2. Смачиваемость и капиллярность в невесомости

А как поведет себя капля жидкости на твердой поверхности? Наверно, каждый из вас замечал, что после дождя на окне видны капли. С точки зрения физики граница, по которой капля соприкасается с поверхностью твердого тела, называется поверхностью раздела фаз - жидкой и твердой. Угол между поверхностью капли и твердой поверхностью называется углом смачивания. Если этот угол меньше 90? и капля растекается по поверхности, то говорят, что жидкость хорошо смачивает поверхность. Если этот угол больше 90?, то капля стягивается в сплющенный, под давлением собственного веса, водяной шарик, не смачивая поверхность твердого тела.

В земных условиях вода, смачивая поверхность обезжиренного стекла, растекается по всей его поверхности. Это происходит потому, что силы притяжения между молекулами воды оказываются меньше, чем силы притяжения между молекулами воды и стекла.

В невесомости водяной шарик целиком не растекается по стеклу. Силы поверхностного натяжения стараются сохранить форму капли, не давая ей стекать со стеклянной пластинки. Из-за того, что вода не растекается, космонавты могут мыть голову, не снимая одежды, правда при этом воду и шампунь им приходится втирать в волосы с помощью тампона.

Силы поверхностного натяжения заставляют смачивающую жидкость подниматься по узким трубочкам - капиллярам, но для этого диаметр трубочки должен быть мал. Чем тоньше трубочка, тем на большую высоту поднимется жидкость по капилляру. А вот в условиях невесомости можно заставить жидкость за счет сил поверхностного натяжения подниматься туда, где просто уже - такого на Земле не увидишь никогда!

Известно, что в земных условиях, жирная поверхность, например поверхность пластилина, плохо смачивается, и капли воды не задерживаются на его поверхности, ведь силы притяжения между молекулами воды в этом случае больше, чем между молекулами воды и пластилина. Но в невесомости достаточно даже небольшого эффекта смачивания для того, чтобы водяной и пластилиновый шарик сцепились, а при большом желании и упорстве можно постараться шарик из пластилина даже закутать в водяную одежду. Как мы видим, малые по сравнению с силой тяжести силы поверхностного натяжения в условиях невесомости оказываются очень значимыми.

3. Как пить в космосе

Отсутствие в жидкости сил давления, зависящих от глубины погружения, приводит к тому, что в невесомости жидкость в сообщающихся сосудах не должна находиться на одинаковых уровнях, поэтому жидкость не будет выливаться из носика чайника, из горлышка бутылки и т.д. Жидкость из сосудов приходится либо выдавливать, либо выталкивать при помощи поршня.

Когда космонавта Александра Сереброва спросили о физических явлениях, связанных с невесомостью, он рассказал о необычности того, к чему каждый из нас привык в повседневной жизни. На Земле, чтобы налить воду в бутылку, подставляют горлышко под струю. В космосе в условиях невесомости жидкость не будет накапливаться на дне сосуда, она будет «плавать» внутри бутылки в виде шаровых капель разного размера. Заполнение сосуда водой вызовет вытеснение из него воздуха, но вместе с воздухом из сосуда будут «выплывать» взвешенные в нем капли воды. Если же струю с маленькой скоростью направить сразу на стенку сосуда, то вода, смачивая стенку, будет прилипать к ней. Взвешенных капель не будет (по крайней мере, до тех пор, пока сосуд не встряхивают). Чтобы достать воду, бутылку необходимо либо встряхивать, либо раскрутить так, чтобы жидкость прижалась к ее стенкам, либо использовать шприц.

Александр Серебров применил свой способ, помещая внутрь сосуда длинный и узкий предмет, например, черенок ложки, к которому капли прилипают за счет сил поверхностного натяжения. Жидкость «расползается» по черенку и подходит к краю горловины сосуда.

Капилярные эффекты позволяют здесь жидкости течь, скажем, вдоль линии сближения двух твердых поверхностей, сходящихся под достаточно узким углом. На Земле это явление проявляется слишком слабо, и даже исследовать его нелегко, однако в космических полетах может пригодиться. Пользуясь полученными в экспериментах данными, Вайслогелю с коллегами удалось разработать и запатентовать несколько устройств для управления жидкостями в условиях микрогравитации -- теплообменный конденсатор, сепаратор и кофейную чашку. С последним изобретением Вайслогелю помогли астронавт Доналд Петтит и два математика, работавших над теоретической частью исследований. «Космическая чашка» работает на базе тех же капиллярных явлений: вместо керамического цилиндра она представляет собой пластиковый лист, сложенный так, что концы его сходятся под острым углом. Это создает линию, где напиток удерживается и вдоль которой двигается прямо в рот.

Главное отличие изобретения - его форма. Так, в разрезе оно напоминает каплю.

Сообщается, что именно благодаря наличию у этой чашки острого ребра из нее можно пить в невесомости.

По словам создателя, похожая технология используется при создании топливных баков для космических аппаратов, летающих в невесомости.

В основе работы чашки лежит смачивание. На Земле оно отвечает за промокание, растекание жидкости по поверхности, а также за ее движение по капиллярам.

В невесомости этот эффект позволяет кофе оставаться в чашке, а не улетать в свободный полет при малейшем шевелении сосуда, но лишь при правильном подборе материала чашки и количества жидкости. Однако при этом кофе невозможно пить, поскольку если в обычных условиях при наклоне сосуда жидкость начинает течь под воздействием силы тяжести, то в невесомости этого не происходит.

Именно для решения этой проблемы у чашки имеется угол. Как показывает теория, если его величина меньше некоторого значения, которое зависит от жидкости и материала, то в результате смачивания жидкость сама "поползет" по желобу вверх к потребителю.

4. Кипение воды в невесомости

А вот будет ли действовать в невесомости выталкивающая или Архимедова сила? Вспомним, что ее происхождение связано с разностью весовых давлений жидкости или газа на верхнюю и нижнюю поверхности тела. В результате того, что давление снизу оказывается больше, возникает выталкивающая сила, направленная против силы тяготения и равная по величине весу вытесненной жидкости или газа. Но в космосе нет веса, а значит, и нет выталкивающей силы, она в невесомости не действует. Это сказывается на процессах в жидкости, содержащей пузырьки пара или газа.

Еще несколько лет назад никто не знал, что представляет собой процесс кипения в космосе. Конечно, физики ломали голову, анализируя сложный характер кипения здесь, на Земле. Про космос же только предполагали, что зрелище будет еще более захватывающее.

В начале 90-х годов группа ученых из университета Мичигана и НАСА решила заняться изучением этого вопроса.

Несмотря на всю зрелищность экспериментов, учеными двигало не просто любопытство. Поняв, как кипит жидкость в космосе, можно создать более совершенную систему охлаждения для космического корабля. Эти знания можно применить и для разработки электрогенераторов, использующих их солнечный свет для подогрева воды до состояния пара, которая затем бы вращала турбину, вырабатывая электричество. Это исследование может найти применение и на Земле - полученные данные можно использовать для лучшего изучения феномена кипения, что позволит усовершенствовать и земные электростанции.

Вообще-то на орбите кипение представляет собой более простой процесс, чем на Земле. Нагретая жидкость не поднимается, а остается рядом с нагревающей поверхностью и нагревается дальше. Те области жидкости, которые находятся на некотором расстоянии от источника тепла, остаются относительно холодными. Поскольку нагревается меньший объем воды, процесс происходит быстрее. По мере формирования пузырьков пара, они не поднимаются на поверхность, а объединяются в гигантский пузырь, который колеблется в жидкости.

В зависимости от температуры пузырь пара или оказывается в центре жидкости, или остается "прикрепленным" к источнику нагревания. Когда пузырь остается у источника тепла, он эффективно изолирует его от окружающей жидкости, вызывая дальнейшее повышение температуры. Сегодня исследователи продолжают расширять знания, основываясь на данных этих экспериментов. Лучше познав физику кипящей жидкости, инженеры смогут улучшить системы охлаждения и электроснабжения, которые очень пригодятся людям в будущем - как в космосе, так и на Земле.

Заключение

Краткое сравнение свойств жидкости на Земле и в невесомости.

Итак, жидкости ведут себя в невесомости совсем не так, как на Земле.

· На Земле: поведение жидкостей в большей степени определяется действием силы тяжести. В космосе: жидкостями управляет сила поверхностного натяжения.

· На Земле: можно легко разделить капельку жидкости шарообразной формы. В космосе: для этого придется приложить немалые усилия.

· На Земле: несмачиваемые жидкости не смачивают поверхность. В космосе: достаточно небольшого прикосновения несмачиваемой жидкости для того, чтобы смочить поверхность

· На Земле: если встряхнуть бутылку с какой-либо жидкостью, то она (жидкость) вернется в исходное состояние. В космосе: водяные шарики могут вести себя как "упругие мячики", неоднократно отскакивая от той же жидкости, из которой они изготовлены.

· Из-за отсутствия в невесомости Архимедовой силы и естественной конвекции по-другому кипят жидкости, намного медленнее замерзает капля воды.

Размещено на Allbest.ru