В результате первого детального исследования этого процесса с помощью высокоскоростной записи видео и звука ученые выяснили, что источником звука, как и предполагалось, стали резонансные колебания поверхности попадающего в воду воздушного пузырька, однако механизм распространения звуковой волны оказался немного отличным от предложенного ранее, пишут ученые в Scientific Reports.
Столкновение капель воды с жидкой поверхностью — довольно сложный физический процесс, интересный как для теоретического, так и для экспериментального изучения. Сначала при падении капли на поверхности образуется воздушный карман, иногда сопровождаемый формированием жидкой пленки и некоторого количества брызг. После этого воздушная воронка постепенно схлопывается, а образовавшийся при этом пузырь газа продолжает свое движение в жидкости. Количество брызг, размер и форма образующихся воздушных полостей в течение этого процесса зависят, в первую очередь, от вязкости, скорости и количества падающих капель. Недавно американские ученые даже ввели для определения формы образующихся воздушных пузырьков новый безразмерный параметр — число матрешки (отношение времени схлопывания воздушной полости к частоте падения капель на поверхность).
Группа британских физиков из Кембриджского университета под руководством Питера Джордана (Peter Jordan) решила не только посмотреть на то, что происходит с каплями при столкновении с поверхностью жидкости, но и внимательно послушать сопровождающие это столкновение звуки. Капля при падении производит характерный звонкий капающий звук, который отчетливо можно слышать, например, если у вас слегка протекает кран на кухне и из него по каплям падает вода. Проблему определения источника этого звука физики пытаются решить уже практически целый век, однако большинство работ были в первую очередь теоретическими и подкреплялись лишь грубыми экспериментальными наблюдениями. С достаточной точностью провести экспериментальное исследование ученым удалось только сейчас благодаря развитию техники высокоскоростной записи видео и звука.
В своей работе ученые использовали два типа микрофонов — надводный и подводный, а процесс изменения формы поверхности жидкости снимали с нескольких разных ракурсов с частотой записи 30 тысяч кадров в секунду. Капля диаметром 4 миллиметра падала на водную поверхность со скоростью 1,29 метра в секунду, в результате чего на поверхности формировалась газовая полость, от которой затем отрывался небольшой пузырек воздуха и продолжал двигаться вниз.
Оказалось, что звучать эта система начинала ровно в тот момент, когда происходил отрыв пузырька воздуха от водной поверхности. После этого звук продолжался в течение нескольких миллисекунд и постепенно затухал, когда пузырек отдалялся от поверхности на достаточное расстояние, а форма его поверхности практически переставала колебаться.
Сделанные наблюдения подтверждают выдвигавшиеся ранее гипотезы о том, что источником звонкого капающего звука при падении капли становится резонансное колебание поверхности газового пузырька, образовавшегося в жидкости. Полученные данные о частоте звукового сигнала, записанного с помощью обоих микрофонов, ученые сравнили с данными теоретической модели. Несмотря на качественное согласие экспериментальных данных с теоретическими, отличия оказались довольно заметными и в некоторых случаях достигали 40 процентов.
По словам ученых, это отличие связано с неучтенным взаимодействием между колебаниями поверхности пузырька и колебаниями поверхности полости непосредственно над ним. Если раньше считалось, что источником звуковой волны служат только колебания поверхности пузырька, волна от которых распространяется сквозь воду и попадает в воздух через невозмущенную межфазную поверхность вода-воздух, то сейчас ученые предложили похожий, но немного отличный механизм. Когда пузырек только образовался, колебания его поверхности вызывают колебания той же частоты на поверхности воздушной полости, от которой он оторвался. Это происходит в результате потоков несжимаемой жидкости в тонком зазоре между двумя поверхностями. Как только пузырек отдаляется на достаточное расстояния, передача колебаний прекращается.
Предложенную гипотезу физики описали теоретически и показали, что предложенный механизм действительно позволяет более точно описать полученные экспериментальные данные. По словам авторов работы, впервые проведенное экспериментальное исследование механизма возникновения звука капания может быть в дальнейшем использовано для улучшения систем определения силы ливня, а также для более достоверного озвучивания дождя в фильмах или компьютерных играх.
Другая интересная для изучения похожая ситуация — падение капель не на жидкую, а на твердую поверхность. В этом случае не происходит образования пузырьков воздуха, зато при всплеске образуется пленка необычной формы. Эта форма зависит от скорости и размера капли, а также — от механических свойств твердой поверхности и ее геометрии. Например, недавно британские физики показали, что при столкновении капли с твердым шариков происходит образование конусообразной пленки, форма и размер которой зависят только от скорости и относительного размера капли. Потом за счет различий в толщине подобная пленка распадается на отдельные капли, размер и форма которых определяются свойствами жидкости и упругими характеристиками поверхности.
Александр Дубов.
Читайте также:
