Какую форму имеет капля воды

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 = = = м

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.