Mail.RuПочтаМой МирОдноклассникиИгрыЗнакомстваНовостиПоискВсе проекты
Рассылка
Получайте главные новости дня от Hi-Tech Mail.ru
, Источник: N + 1

Физики определили источник звука от падения капель

Британские физики уточнили источник характерного звука, который сопровождает падение капель на водную поверхность.

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).

Схема экспериментальной установки. S. Phillips et al./ Scientific Reports, 2018

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.

Во время загрузки произошла ошибка.

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:

Расскажите друзьям о необычном исследовании ученых, для репоста нажмите на кнопку соцсети ниже
Хиты продаж и новинки
Самые лучшие цены на смартфоны
Вы подписались на рассылку.Отменить
Подписаться на рассылку
Пока ни одного комментария, будьте первым!
Чтобы оставить комментарий, вам нужно авторизоваться.
Вы не ввели текст комментария
Вы не ввели текст комментария
Обнаружили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.
Подпишитесь на нас
Новости Hi-Tech Mail.ru