56

КАПИЛЛЯРНЫЙ РАСПАД СТРУИ

Цель работы - изучение процесса капиллярного распада на капли цилиндрической струи жидкости и определение размеров образующихся капель.

Общие сведения

Струйные течения жидкостей и газов являются чрезвычайно распространенными как в разнообразных технических устройствах, так и в природе.

Главной особенностью струйных течений является отсутствие твердых стенок, ограничивающих поток.

Струи подразделяются на затопленные и незатопленные. Под затопленными струями понимают струи, физические свойства веществ которых одинаковы или мало отличаются от физических свойств среды, в которую они вытекают. В противоположном случае струя называется незатопленной. Примером незатопленной струи является струя воды в воздухе. Важным фактором, определяющим поведение незатопленной струи, являются силы поверхностного натяжения, действующие на ее поверхности.

жения стремится принять форму с наименьшей поверхностью, то есть сферическую. В результате этого, цилиндрическая струя жидкости является неустойчивой и на некотором расстоянии от выходного отверстия разбивается на капли. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что размеры образующихся в результате распада струи капель, определяются длиной волны l развивающихся на ее поверхности волнообразных возмущений. На одной длине волны образуется одна капля. Эта длина волны зависит только от радиуса струи и определяется соотношением l = 9,01R. Таким образом, из участка цилиндрической струи длиной l образуется одна капля. Объем этого участ-

ка равен πR2l и определяет собой объем образующихся капель V = πR2l . Зная объем капли V , можно вычислить ее радиус r, предполагая, что капля имеет

сферическую форму V = (43)πr3 . Отсюда r = 3 3V 4π ≈1,89R . Из этого соот-

57

ношения следует, что радиус образующихся капель примерно в два раза больше радиуса струи.

Как уже было сказано, движущаяся струя начинает разбиваться на капли только на некотором удалении от выходного отверстия, то есть имеет нераспавшийся участок длины L. Существование этого участка связано с тем, что процесс образования капель требует некоторого конечного времени τ, за которое струя успевает пройти некоторое расстояние без распада. Если скорость истечения жидкости из отверстия равна V, то длина нераспавшейся части струи определяется соотношением L= V τ.

Рассматриваемый процесс капиллярного распада струи характеризуется тремя величинами: σ, R и плотно-

нераспавшейся части струи, будет тем больше, чем больше радиус и скорость истечения струи, плотность жидкости и чем меньше коэффициент поверхностного натяжения.

Методика исследования

Для изучения распада струи жидкости под действием капиллярных сил достаточно рассмотреть неподвижный цилиндрический столб жидкости и изучить процесс его распада на капли. Однако создать такой столб обычной жидкости практически невозможно. Это можно сделать с помощью так называемых магнитных жидкостей.

Магнитная жидкость − это искусственно создаваемая жидкость, которая обладает способностью намагничиваться в магнитных полях и притягиваться постоянными магнитами.

Как известно, электрический ток I, протекающий по цилиндрическому проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Если в это поле внести магнитную жидкость, то она будет притягиваться им к поверхности проводника и расположится вокруг него цилиндрическим слоем, как изображено на рис.11.2а.

Если после этого выключить ток в проводнике, то есть убрать магнитное поле, то цилиндрический столб жидкости становится неустойчивым и распадается на ряд отдельных капель, как изображено на рис.11.2.б.

58

Расстояние между вершинами отдельных капель l определяет собой длину волны развивающихся возмущений и длину того участка цилиндрического столба, из которого образуется одна капля. Величина l может быть легко измерена экспериментально.

Для исключения действия силы тяжести, которая может нарушить цилиндричность столба, он помещается в объем прозрачной жидкости, которая не смешивается с магнитной жидкостью и имеет одинаковую с ней плотность. В этом случае сила тяжести уравновешивается архимедовой выталкивающей силой. Такое состояние называется гидроневесомостью.

1.Определить уровнемером координату поверхности проводника.

2.Включить термостат для охлаждения проводника.

3.Включить источник тока.

4.Нанести с помощью шприца слой магнитной жидкости на поверхность проводника так, чтобы она равномерно покрыла его.

5.Измерить уровнемером толщину слоя магнитной жидкости h.

6.Тумблером выключить ток в проводнике. Провести наблюдение за процессом распада слоя магнитной жидкости на капли, оценив с помощью секундомера время распада.