Пузыри в жидкости (стр. 1 из 5)

ОТДЕЛ ОБРАЗОВАНИЯ ГОМЕЛЬСКОГО ГОРОДСКОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО КОМИТЕТА

Государственное учреждение образования

«Гимназия №71 г. Гомеля»

Конкурсная работа

«Пузыри в жидкости»

Исполнитель: Мурашко Вячеслав Игоревич,

ученик 9 А класса

Руководитель: Синюто Алла Николаевна,

учитель физики

Государственного учреждения образования

«Гимназия №71 г. Гомеля»

Гомель

2010

Оглавление

Введение

1. Пузырек всплывает в жидкости

2. Модельный опыт о флотации

3. О «мягких» и «твердых» пузырьках в жидкости

4. Газовый пузырек у границы между жидкостями

5. Кавитация

Заключение

Список использованных источников и литературы

Введение

Цель данной работы - изучение тех процессов, которые происходят или могут происходить с пузырями в жидкости и понять как общие законы физики обнаруживают себя в конкретных явлениях. При выполнении работы применялись следующие методы исследования: анализ различных источников информации; самостоятельное выполнение различных опытов, выявляющих различные свойства пузырьков. Объект исследования – пузыри, которые расположены в жидкости.

Газовый пузырек в жидкости! Ситуация общеизвестная и как будто совершенно понятная: пузырек всплывет, у поверхности вскроется, содержащийся в нем газ уйдет в паровую фазу вблизи поверхности жидкости. Понятно, почему это происходит: поднятие пузырька сопровождается опусканием центра масс жидкости с пузырьком. После вскрытия газового пузырька уровень жидкости понизится на некоторую величину, а это выгодно, как бы мала она ни была. Это упрощенный рассказ о судьбе пузырька в жидкости. Есть множество процессов и явлений, происходящих с ним и зависящих и от его размера, и от свойств жидкости, и от размера и формы сосуда, в котором жидкость находится, и от сорта газа, которым заполнен пузырек, и от много другого.

Пузырек оказывается главным участником очень важных технологических процессов и физических явлений. Эти процессы могут быть организованы лучшим образом, а явления использованы с наилучшим успехом, если будут поняты физические закономерности, управляющие поведением пузырей.

Речь идет о флотации, процессе, при котором руда освобождается от пустой породы, о кавитации – процессе появления несплошностей в жидкости вследствие местного понижения давления (эти несплошности превращаются в пузырьки, которые, схлопываясь, могут изъязвлять и разрушать металл, находящийся в жидкости, в частности гребные винты кораблей), о барботаже – продувании сквозь жидкость газовых пузырьков (их поток приводит к совершенному перемешиванию жидкости, а иной раз используется для ее равномерного прогрева).

1. Пузырек всплывает в жидкости

Полагая, что пузырек сохраняет сферическую форму, запишем выталкивающую его архимедову силу

, которая обусловлена различием плотностей жидкости и газа в пузырьке . Она определяется известной формулой:

.

В записанной формуле учтено, что

.

Обсудим, как под действием архимедовой силы всплывает пузырек, который, двигаясь медленно, сохраняет сферическую форму.

Рисунок 1 Схемы ламинарного (а) и турбулентного обтекания жидкостью движущегося в ней пузыря

Вокруг пузырька возникают потоки, которые перемещают жидкость от лобовой поверхности пузырька к его тыльной поверхности. Чем дальше от пузырька, тем с меньшей скоростью протекает жидкость, тем менее она «осведомлена», что в ней движется пузырек. В действительности, течет жидкость, а мы видим результат этого течения - всплывание пузырька. Поэтому скорость его всплывания должна зависеть и от того, как движется жидкость, и от его физических свойств.

«Медленным» будем называть такое движение пузырька, при котором перетекание воды от его лобовой к тыльной поверхности не сопровождается появлением завихрений, вода течет спокойно, как бы послойно и слои не перемешиваются между собой. Физики говорят «ламинарно». Путь, по которому движутся слои жидкости можно изобразить линиями (см рис 1. а). При ламинарном течении они не изламываются, взаимно не пересекаются и не пересекают сами себя. В потоке не появляются вихри. Соприкасающиеся слои жидкости получают информацию друг о друге вследствие их взаимного трения. При таком обтекании пузырька жидкостью установившаяся скорость его ламинарного всплывания

должна зависеть от вязкости жидкости , от радиуса пузырька Rи от силы F, действующей на пузырек.

Выясним связь между величинами

, , R и F.

Естественно предположить, что скорость

пропорциональна выталкивающей силе F, и тем меньше, чем больше радиус пузырька Rи вязкость воды : .

Так как здесь обсуждается случай очень медленного всплывания пузырька в вязкой жидкости, то естественно предполагать, что энергия, передаваемая всплывающим пузырьком обтекающей его жидкости, главным образом расходуется на преодоление вязкого трения, а не придание жидкости кинетической энергии, которая должна зависеть от массы жидкости, а значит, и от ее плотности.

Перепишем нашу формулу в виде

, учтем что , , , , и потребуем, чтобы размерность левой и правой частей нашей формулы совпадали. Мы убедимся, что , , , т.е. то, что и записано в нашей формуле.

Точная формула, которую физики получают строго, от нашей отличается лишь множителем

. Итак:

.

В литературе эту формулу именуют «формулой Стокса», установленной Джорджем Габриэлем Стоксом (1819 – 1903) в 1851г. Ею пользуются и метеорологи, изучая движение капель тумана, и химики, изучая осаждение мелких частиц в жидкостях, и гидробиологи, изучающие осаждение ила. Формула Стокса была использована Р. Милликеном в его классических опытах по определению заряда электрона.

Записанную формулу полезно прочесть не только слева направо (

), но и справа налево:

.

Такое прочтение обнаруживает ранее скрывавшиеся в формуле грани описываемого ею явления. Так как пузырек всплывает с постоянной скоростью, то, согласно закону Ньютона, сила, вынуждающая его движение,

, и сила, тормозящая его движение, , между собой равны. А это означает, что , т.е. пузырек, всплывающий в режиме медленного движения, испытывает со стороны жидкости действие силы сопротивления, которая пропорциональна его скорости. Мы пришли к этому заключению, не отступая от представления о том, что всплывание медленное, что обтекание жидкостью пузырька ламинарное, без завихрений (именно это отражает индекс «л» при ). Это заключение и может явиться основанием для ответа на вопрос, какое всплывание пузырька в воде следует считать медленным: такое, при котором

.

Воспользуемся знанием величины

в случае свободного всплывания пузырька и запишем нашу формулу в окончательном виде:

.

Так как для воды вязкость

, плотность , а ускорение свободного падения всегда , то скорость всплывания . Пузырек, радиус которого , всплывает медленно, со скоростью . Со дна до верха заполненного чайного стакана, высота которого , такой пузырек будет всплывать за время ! Так как , то пузырьки покрупнее всплывут за меньшее время.