Наши рефераты. Доклады Академии наук СССР. Том 147, №№ 1 и 5, 1962 г.
Академик В. В. Шулейкин
Форма поверхности жидкости, теряющей весомость
Современные исследования окрестностей Земли, пишет академик В. В. Шулейкин, выдвигают новые физические задачи, которые прежде могли казаться абстрактными. В частности, возникла необходимость анализировать поведение вещества в состоянии невесомости и на путях к этому состоянию. В прошлом веке бельгийский физик Плато создавал некоторое подобие невесомости, помещая масло в смесь той же плотности из спирта и воды; при этом масло принимало форму шара, то есть тела с наименьшей поверхностью при данном объеме.
На пресс-конференции 21 августа 1962 года летчик-космонавт П. Р. Попович сообщил о первых в мире наблюдениях над поведением воды, находившейся действительно в состоянии невесомости (на корабле «Восток-4»). Вода, занимавшая сперва нижнюю половину сферической колбы, приняла форму полой сферической оболочки, внутри которой разместился шар воздуха. Можно показать, что при этом поверхность раздела между водой и воздухом увеличилась в 2,52 раза. Это объясняется действием межмолекулярных сил, вызывающих идеальное смачивание стеклянной поверхности водой.
Автор показал, что работа, совершаемая этими силами при изменении формы поверхности, полностью компенсирует увеличение поверхностной энергии и частично превращается в тепло. Теория позволяет проследить за изменениями поверхности воды, налитой в цилиндрический стакан, при постепенном уменьшении весомости. Результаты вычислений автора представлены на рисунке. Здесь слева — стенка стакана, а справа — его ось, вокруг которой следует вращать все кривые для получения соответствующих поверхностей. Поверхность а отвечает начальному состоянию; в — уменьшению весомости в 19 раз; с — в 39 раз; d — в 240 раз. Поверхность е полушария с центром, отмеченным кружком на оси вращения, отвечает полной невесомости того же объема воды, налитой в стакан.
В опытах П. Р. Поповича сосуд был сферический, а потому верхний край мениска перемещался до тех пор, пока внутри водной оболочки возникала сфера, занятая воздухом. Совсем иначе протекали бы опыты П. Р. Поповича, если бы вода соприкасалась не со стеклом, а с веществом, которое она не смачивает (с гидрофобным веществом). Тогда воду снаружи ограничивала бы сферическая поверхность, пересекающаяся с подстилающей поверхностью под определенным краевым углом.
Еще о поведении жидкости, теряющей весомость
Эта работа В. В. Шулейкина посвящена поведению воды, соприкасающейся с гидрофобной поверхностью. Для конкретности принято, что подстилающая поверхность покрыта слоем стеарата цинка, с которым вода образует особо большой краевой угол — 135°. Объем воды равен одному литру.
В исходном состоянии вода лежит на плоскости тонким слоем, толщиной около 5 мм, занимая площадь круга с радиусом 250 мм. На рисунке профиль такой «предельно плоской капли» изображен кривой а, которую надо представить себе вращающейся вокруг вертикальной оси. По мере уменьшения весомости эта «плоская капля» будет постепенно стягиваться к оси, проходящей через центр. При уменьшении весомости в 100 раз профиль поверхности изобразится кривой в; при уменьшении в 200 раз — кривой с; в 270 раз — кривой d; в 430 раз — кривой е; в 700 раз — кривой f. При полной невесомости литр воды займет объем сферы, профиль которой изображен в виде окружности к с центром, отмеченным кружком на оси вращения. Все размеры (в миллиметрах) проставлены вдоль осей координат; краевой угол везде равен 135°.
На космических кораблях переход от режима перегрузок к состоянию невесомости происходит весьма скоро. Поэтому интересно выяснить, насколько быстро может протекать изменение формы поверхности жидкости под действием молекулярных сил и при участии сил инерции. Если упростить задачу (не принимать во внимание энергию, сосредоточенную на поверхности раздела «вода — твердое тело»), то оказывается, что в условиях невесомости литр воды, первоначально ограниченный поверхностью, а примет шарообразную форму к приблизительно за 1,4 секунды.
Читайте в любое время
