Обнаружены новые свойства воздушных пузырьков, возникающих при падении маленьких тел в воду
|
Падая в воду, стальной шарик увлекает за собой воздушный пузырек. Оказывается, поверхность этого пузырька покрывается рябью с удивительными свойствами.
Течение жидкости, поведение капель, струй и пузырей изучается уже не одно столетие, но несмотря на это новые открытия в гидродинамике регулярно появляются и в наши дни. И для этого не требуется особенно сложное оборудование — порой достаточно взять высокоскоростную видеокамеру и рассмотреть во всех деталях какой-нибудь быстро протекающий процесс.
Очередное исследование такого типа появилось на днях в журнале Physical Review Letters. Ученые из Стэнфордского университета (Stanford University) и Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University) бросали в воду маленькие стальные шарики и снимали происходящее на камеру (использовалась камера Phantom v5.0, Vision Research, в режиме 2000 кадров/сек). Одновременно с этим гидрофоны записывали звуковые сигналы, а также велся мониторинг давления в жидкости.
Наблюдения показали, что, если стальной шарик входит в воду на скорости более 1 м/с, происходит цепь интересных событий. Вначале шарик «выбивает» в воде узкую воздушную воронку. Эта воронка начинает сжиматься и смыкается примерно посередине высоты. Именно в этот момент раздается наиболее громкий «бульк». Нижняя половинка воронки становится после этого длинным и узким воздушным пузырем, который устремляется вниз за шариком.
|
Всё это было известно и раньше. Однако авторы этой работы заметили и новое интересное явление: на стенках воздушного пузыря отчетливо видна рябь. Самое поразительное ее свойство состоит в том, что воздушный пузырь стремительно движется вниз, вслед за шариком, однако рябь при этом стоит на месте. Это хорошо видно на серии снимков, сделанных через одинаковые промежутки времени и расположенных друг рядом с другом.
Изучив это явление подробнее, авторы обнаружили, что эта рябь начинается строго в тот момент, когда воздушная воронка смыкается, «запечатывая» пузырек воздуха (этому моменту соответствует первый кадр из серии фотографий). Как показали датчики, в это мгновение давление в пузырьке резко повышается, и, по мнению авторов, именно этот удар его дестабилизирует. Более того, обнаружилась связь между скоростью движения шарика, высотой издаваемого звука и длиной волны ряби. Проведенные авторами теоретические расчеты формы пузырька после его «запечатывания» в общих чертах подтверждают эти наблюдения.
Впрочем, на некоторые вопросы у авторов работы пока не нашлось ответа. Например, повторив опыты с маленькими тефлоновыми шариками, авторы с удивлением обнаружили, что рябь в этом случае обладает чрезвычайно странной формой (см. рисунок). Как образуется такая рябь и почему вообще форма ряби должна зависеть от материала, остается пока не понятым.
Источник: T. Grumstrup, J. B. Keller, A. Belmonte. Cavity Ripples Observed during the Impact of Solid Objects into Liquids // Physical Review Letters, 99, 114502 (12 September 2007); статья свободно доступна на сайте одного из авторов (Pdf, 450 Кб).
Игорь Иванов
