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 R
и 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 R
и 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.
Опыт по свободному всплыванию «маленького» пузырька в жидкости можно использовать для определения его размера, если известна вязкость жидкости.
Все наблюдали, что при сильном напоре воды в водопроводной системе, стакан наполняется молочно-белой водой, которая со временем просветляется. Мутность воды обусловлена огромным количеством взвешенных в ней газовых пузырьков, рассеивающих свет. А просветление воды наступает вследствие всплывания пузырьков, о чем убедительно свидетельствует появление именно у дна стакана расширяющегося просветленного слоя. Очень легко заметить, как со временем увеличивается ширина просветленного слоя. Располагая лишь часами и линейкой можно убедиться, что граница между мутной и прозрачной зоной движется с постоянной скоростью, и определить эту скорость.
Рисунок 2 Постепенное просветление стакана с газированной водой вследствие всплывания пузырьков
Этот опыт был проделан и найдено, что  м/c. Согласно Стоксу, с такой скоростью должен всплывать пузырек, радиус которого  м.
В совсем простом опыте со стаканом обычной воды, веря формуле Стокса, фактически измерили размер не видимого глазом пузырька. Ведь мы не видели отдельные пузырьки, а лишь наблюдали эффект рассеяния света множеством пузырьков и расширение у дна стакана прозрачного слоя воды, освободившегося от всплывших пузырьков.
Если захотим проверить, как формула Стокса согласуется с опытом, всякий раз наблюдая пузырек покрупнее, мы убедимся, что начиная с некоторых размеров сферических пузырьков формула Стокса начинает отказывать. Скажем, пузырек, радиус которого  м, должен по Стоксу всплывать со скоростью  м/с, а этого не происходит, он движется существенно медленнее.
Начиная с некоторой скорости всплывания могло бы оказаться, что при ламинарном обтекании жидкостью пузырька от его лобовой поверхности не будет успевать уводиться нужное количество жидкости. Тогда обязан объявиться иной характер движения жидкости, при котором быстрое перемещение пузырька станет возможным. Этот «иной характер» движения может оказаться следующим. От лобовой поверхности пузырька подгоняемая им жидкость перемещается быстро в направлении движущегося пузырька. В таком режиме движения жидкость в недостаточной степени затекает в «тыл» движущегося пузырька. И в его «тылу» могут возникнуть пустоты, разрывы, завихрения – все то, что в совокупности именуют «турбулентным» течением жидкости. На рис. 1 б) это изображено. В отличие от этого (рис. 1 а), на котором изображено ламинарное движение на рис. 1б линии искривляются, изображая вихри. Такому движению жидкости свойственна не упорядоченность вязкого течения, не взаимные соскальзывания соприкасающихся слоев жидкости, а образование завихрений в «тылу» движущегося пузырька. Упорядоченное вязкое течение сменяется вихревым, турбулентным.
Обсудим связь между выталкивающей силой и скоростью всплывания пузырька  для случая, когда обнаружится второй турбулентный, характер движения жидкости у пузырька. Двигаясь со скоростью и пройдя путь l
, пузырек передаст массе жидкости  энергию
 .
Эту энергию жидкость растратит на образование и движение завихрений. В конечном счете она превратится в тепло. Так как при равномерном движении
 , то
 .
Величину мы знаем и, следовательно, легко получим приближенную формулу, определяющую :
 .
Последнюю формулу можно было бы получить, пользуясь соображениями о размерностях.
Вывод: при свободном всплывании пузырька в режиме ламинарного течения воды  , а в режиме турбулентного течения  . Это означает, что с ростом скорости всплывания при турбулентном течении сопротивление жидкости движению пузырька увеличивается быстрее, чем при ламинарном.
Итак, скорость, при которой ламинарное обтекание пузырька жидкостью сменится турбулентным, можно оценить, приравняв силы, тормозящие пузырек, , и относящиеся к ламинарному и турбулентному течениям. Из такого сравнения следует, что если выполняется условие  , то пузырек всплывает в ламинарном режиме, а если  - турбулентном. Для воды  м2
/с, а для воздуха  м2
/с. Пузырьки, имеющие радиус  м, всплывают со скоростью  м/с, т.е.  м2
/с, что существенно меньше, чем  м2
/с. Такие водяные пузыри всплывают «ламинарно». А мыльные пузыри, радиус которых  м, падают со скоростью  м/с. Значение  м2
/с существенно больше, чем м2
/с и, следовательно, такие мыльные пузыри падают в турбулентном режиме.
2. Модельный опыт о флотации
Этот опыт иллюстрирует физическое явление, на котором основан технологический процесс, именуемый флотацией. Газовые пузырьки в этом процессе играют важную роль.
Флотация, а точнее флотационное обогащение - это процесс разделения совокупности двух видов мелких твердых частиц, отличающихся смачиваемостью той жидкостью, в которой они находятся, чаще водой. На поверхности частиц, которые будут плохо смачиваться жидкостью, будут закрепляться газовые пузырьки. Говорят так: образуется флотационный агрегат – частица и прилипшие к ней пузырьки газа. Если средняя плотность такого агрегата  меньше плотности жидкости, он будет всплывать, вынося на поверхность жидкости частицы твердой фазы. Те же частицы, которые хорошо смачиваются жидкостью не будут на себе задерживать пузырьки газа, не сформируют флотационный агрегат, и, следовательно, осядут на дно. В этом процессе частицы первого и второго вида разделятся.
Принципиальная возможность разделения твердых частиц различных сортов с помощью всплывающих газовых пузырьков, широко используется для разделения частиц пустой породы в измельченной руде от частиц, богатых металлом. Именно поэтому явление флотации лежит в основе технологического процесса, используемого в горнорудных обогатительных фабриках.
К самой идее флотации привела не теория, а внимательное наблюдение случайного факта. В конце прошлого века американская учительница (Карри Эверсон), стирая загрязненные маслом мешки, в которых хранился раньше медный колчедан, обратила внимание на то, что крупинки колчедана всплывают с мыльной пеной. Это и послужило толчком к развитию способа флотации.
Возникают следующие вопросы. Как образуются газовые пузырьки во флотационной ванне с жидкостью и частицами твердой породы? При каком соотношении объемов газовых пузырьков и твердых частиц образуемые ими флотационные агрегаты будут всплывать?
Введение газовых пузырьков в объем флотационной волны осуществляется многими различными приемами. Иногда просто продуют воздух через сетки с малыми отверстиями, иногда в объеме ванны проводят химическую реакцию, при которой возникает большое количество газа, например углекислого. Существует так называемая электрофлотация, при которой в ванне образуются газообразные водород и кислород при пропускании тока через воду. Все эти приемы дают возможность регулировать интенсивность процесса формирования газовых пузырьков.
Теперь о флотационном агрегате. Он будет всплывать при условии, если его средняя плотность будет меньше плотности жидкости  , т. е.  . Из записанного неравенства легко получить условие всплывания флотационного агрегата, в состав которого входит твердая частица, имеющая массу  , объем  (плотность  ), и газовые пузырьки, суммарный объем которых  . Очевидно,
 ,
и, следовательно, условие всплывания можно записать в виде
 .
Записанное условие всплывания флотационного агрегата выполняется тем лучше, тем меньше объем частиц твердой фазы.
Для проведения модельного опыта требуется изготовить полые стеклянные шарики, которые в воде не падали стремительно, а медленно тонули, так как их плотность была бы немногим больше плотности воды. Шарики были крупными ( мм). А далее все предельно просто. Брали два шарика, один из них тщательно протирали жирными пальцами, а поверхность другого обезжиривали спиртом. После такой обработки на первом должны оседать газовые пузырьки, а на втором – нет.
Первый моделирует вещество гидрофобное, не любящее воду, не смачиваемое водой, а второй – гидрофильное, любящее воду, смачиваемое ею. Шарики клали на дно стакана и заполняли стакан обычной газированной минеральной водой, из которой выделялись газовые пузырьки. На шарике с жирной поверхностью начинали оседать пузырьки, образовался флотационный агрегат и вскоре шарик всплывал.
В описанной постановке опыта, когда всплывает один шарик, поверхность которого заселена пузырьками, наблюдается любопытное сопутствующее явление. В момент, когда шарик касается поверхности, некоторые пузырьки из числа поднимавших шарик лопаются и он начинает тонуть. А затем, обогатившись очередной порцией газовых пузырьков, выделяющихся из воды, он снова всплывает, и цикл повторяется. Легко понять, что в реальном флотационном процессе, в котором участвует огромное количество всплывающих частиц, у поверхности жидкости будет возникать слой, обогащенный частицами определенного сорта, каждый из которых тонуть не будет. Это так называемый слой флотационной, минерализованной пены. Искусственно или самотеком эта пена удаляется вместе с содержащимися в ней частицами либо полезного минерала, либо пустой породы. Технологам приемлемы оба варианта, только бы произошло отделение частиц минерала, обогащенного полезным ископаемым. Это и было целью процесса.
3. О «мягких» и «твердых» пузырьках в жидкости
«Мягкие» — значит легко деформируемые внешней силой, «твердые» — значит не поддающиеся ее воздействию. Будем придерживаться этих, не очень строгих определений и попытаемся применить их к газовым пузырям в жидкости.
Решим вначале задачу о связи между числом атомов газа, заключенных в пузыре, и его радиусом R, полагая при этом, что жидкость, в объеме которой расположен пузырь» находится под постоянным давлением р0
. В поисках интересующей нас связи мы будем считать, что пузырь «равновесный», или лучше сказать «уравновешенный», а это означает, что его стенка не перемещается ни от центра пузыря, ни к его центру. В этом случае давление заключенного в нем газа,  , стремящегося раздуть пузырь, компенсируется давлением, приложенным к жидкости извне, Р0
, и лапласовским давлением, которое обусловлено искривленностью поверхности пузыря  . Эти два давления вместе стремятся сжать пузырь.
Давление газа  , заключенного в пузыре, можно определить из закона Менделеева — Клайперона, известного из школьного курса физики
 ,
где  — число молекул газа в пузыре. Так как  , то
 .
Равенство растягивающего и сжимающего давлений, осуществляющееся в условиях равновесия, запишем следующей главной формулой:
 , или  .
Записанная формула и выражает интересующую нас связь между NT
и R.
Та внешняя сила, которой можно «щупать» пузырь для того, чтобы выяснить «мягкий» он или «твердый», определяется давлением Р0
. Его можем изменять по собственному желанию. Если  , то, изменяя  (разумеется, не нарушая неравенства), мы никак не повлияем на размер пузыря, который сильно сжат собственным, лапласовским давлением, значительно большим, чем внешнее. То есть, если радиус пузыря настолько мал, что — внешнее давление пренебрежимо мало по сравнению с лапласовским и поэтому до тех пор пока это неравенство сохраняется, пузырь сохранит свой радиус. А это и значит, что он твердый! А вот в случае, когда  , лапласовское давление значительно меньше внешнего и поэтому любое давление будет приводить к изменению радиуса пузыря. Больше давление — меньше радиус, меньше давление — больше радиус. Это — «мягкий» пузырь, он чувствует внешнее давление. Увеличивая внешнее давление, его можно сжать.
Для того чтобы наши рассуждения обрели количественную меру, оценим радиус пузыря  , который сжимается лапласовским давлением, равным внешнему . Такой пузырь является как бы пограничным между «мягкими» и «твердыми» пузырями. Если внешнее давление равно атмосферному, то
 м.
Итак, «твердые» пузыри в воде — это те, радиус которых значительно меньше микрометра, а «мягкие» — это те, радиус которых значительно больше микрометра.
«Мягкие» и «твердые» пузыри отличаются не только размерами. Оказывается, что во многих реальных ситуациях они обнаруживают различные свойства и различное поведение.
Для «мягкого» пузырька, когда лапласовским давлением можно пренебречь, из главной формулы следует  .Это означает, что при объединении двух «мягких» пузырей будут суммироваться их объемы, так как суммируется число газовых молекул. Из этого обстоятельства проистекают два важных следствия.
Во-первых, оно означает, что объем образовавшегося пузыря равен сумме объемов объединившихся.
Во-вторых, оказывается, что два объединившихся пузыря имеют поверхность меньшую, чем та, которую они имели до объединения. Действительно, условие суммирования объемов двух пузырей, радиусы которых  и  , означает, что
 .
Это равенство можно переписать в иной форме:
 .
Так как  , то
 .
Именно в этом неравенстве и содержится энергетическое оправдание объединения «мягких» пузырей: энергия заключенного в них газа не меняется, а связанная с ними поверхностная энергия уменьшается. Так что в процессе слияния общая энергия уменьшается — слияние «мягких» пузырей энергетически выгодно.
Теперь о слиянии «твердых» пузырей. Для них из главной формулы следует  . Это значит, что при слиянии таких пузырей суммируются не их объемы, а поверхности:
 .
При этом объем суммарного пузыря должен превосходить сумму объемов слившихся пузырей:
 .
Вывод: при слиянии «твердых» пузырей поверхность, а значит, и энергия поверхности, остаются неизменными. Казалось бы, и объединяться им нечего. Есть, однако, оправдание процесса слияния твердых пузырей. Оно заключается в том, что слиянию пузырей сопутствует расширение газа.
4. Газовый пузырек у границы между жидкостями
Газовый пузырек, проходящий через границу между жидкостями,— участник многих очень важных технологических процессов. Вот пример такого процесса. Для того чтобы выплавляемый металл был высококачественным, тщательно перемешанным, сквозь жидкий расплав пропускают пузырьки газа. Производят, как говорят металлурги, барботаж расплава. В виде пузырьков газ проходит и сквозь слой металла, и сквозь слой находящегося на нем жидкого шлака. А между слоями — граница, и пузырьки газа должны ее преодолеть. Для металлургов очень важно знать закономерности этого процесса.
Вначале попробуем представить себе судьбу газового пузырька радиуса R
, расположенного в нижней жидкости вблизи границы между нижней и верхней жидкостями. Для облегчения нашей задачи упростим ее и предположим, что плотности жидкостей одинаковы и равны  и, следовательно, выталкивающая сила от сорта жидкости не зависит. Предположим вначале, что граница между жидкостями остается плоской, когда пузырек пытается пройти сквозь нее. Жидкости отличаются коэффициентами поверхностного натяжения  и  , а граница между ними характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения  .
Газовый пузырек либо пройдет сквозь границу, либо задержится границей и останется на ней.
Судьба газового пузырька определится совместным действием трех сил. Перечислим и оценим эти силы. Одна из них — выталкивающая сила  — обусловлена уменьшением потенциальной энергии  всплывающего пузырька. Вторая сила  обусловлена тем, что прохождению пузырька сквозь границу сопутствует исчезновение части поверхности границы и, следовательно, уменьшение энергии системы  на значение произведения площади этой поверхности на . Третья сила  определяется тем, что при движении пузырька через границу меняется соотношение между площадями поверхности пузырька, где коэффициенты поверхностного натяжения и различны. При этом, разумеется, изменяется поверхностная энергия, связанная со всей поверхностью пузырька  .
Для того чтобы оценить эти силы, мы поступим следующим образом: расположим пузырь на границе так, чтобы его вершина отстояла от границы на расстояние h (см рис. 3).Затем сместим пузырек вверх на расстояние  и вычислим происходящее при этом изменение всех трех упоминавшихся слагаемых энергии, связанных с пузырьком на границе. Вспомнив, что изменение энергии равно взятому с обратным знаком произведению действующей силы на путь (в данном случае ), легко найдем интересующие нас силы. А потом, сложив все три силы, найдем ту, которая и определяет судьбу пузырька.
Рисунок 3 Схема плоской границы между жидкостями, «пробиваемой» всплывающим пузырьком
Уменьшение потенциальной энергии пузырька при его смещении на равно
 и, следовательно,
Это — первая сила.
Уменьшение граничной энергии, связанное с исчезновением части границы, определится формулой
 .
Изменение этой величины при переходе от h к  (в предположении, что  ) равно  и, следовательно,
Это — вторая сила.
Энергия  , где  - площадь поверхности пузырька, ограниченная верхней жидкостью; после смещения пузырька на  величина  изменяется на  и таким образом,
Это — третья сила.
Вот теперь можно записать силу, действующую на пузырек, расположенный на границе:
 .
Пузырек прекратит всплывание при F
=
0,
т. е. при
А происходит это именно на границе при условии, что  . Из этого условия (при  ) следует, что задержаться на границе могут пузырьки, радиус которых меньше некоторого критического  :
 .
Формулу, следующую из нашего расчета, можно получить, пользуясь лишь соображениями о размерностях.
Итак, формула есгь, обсудим ее.
При  может оказаться, что  .
В этом случае R * < 0 и граница должна быть проницаема для пузырьков любого размера. Если же  , то всегда R* > О, Скажем, для металлов  Дж/м2
,  Дж/м2
и, таким образом,  м. Это означает, что на границе застрянут миллиметровые и более мелкие пузырьки.
Но элементарный расчет может иметь отношение к действительности лишь в случае, если подход пузырька к границе снизу сопровождается ее прорывом при соприкосновении пузырька с жидкостью верхнего слоя. Такая ситуация вполне реальна. Во многих же случаях действительность оказывается сложнее нашей упрощенной схемы и преодоление пузырьком границы происходит совсем не так, как мы это предполагали в нашем расчете. Обсудим и иной механизм преодоления границы пузырьком.
Вначале о результатах совсем простых опытов. В сосуде расположены два слоя несмешивающихся жидкостей. В объем нижней жидкости вдуваются газовые пузырьки, и они, двигаясь вверх, проходят через границу между жидкостями.
В каждом из слоев пузырьки просто всплывают. А вот когда на пути пузырька оказывается граница между слоями жидкостей, возникают неожиданные явления, отличающиеся от обсужденных ранее. Они нас и интересуют. Возьмем для опыта стеклянный сосуд, нальем в него две несмешивающиеся жидкости (например, вода и подсолнечное масло) и сквозь стекло разглядим все, что происходит на границе между ними. В нижний слой жидкости газовые пузыри выводились через иглу шприца.
Опыты свидетельствуют о том, что явлению, которое мы наблюдали сопутствуют два эффекта. Оказывается, что, если в объем нижней жидкости последовательно вспрыскивать маленькие пузырьки они скапливаются под границей, объединяются и, лишь достигнув определенного размера  , так сказать, объединив свои усилия, преодолевают границу и проникают в верхнюю жидкость. Точнее говоря, не «проникают», а «проникает» один укрупненный пузырь. Прежде чем пропустить сквозь себя пузырек, граница между жидкостями под влиянием выталкивающей силы прогибается, как бы тянется за укрупняющимся пузырьком. А затем, пропустив пузырек, она спрямляется, готовясь к сопротивлению новым пузырькам. Если разумеется, они появятся. Итак, принципиально новое наблюдение: граница не прорывается, а прогибается задвижущимся пузырьком.
Рисунок 4 Схема границы, изгибаемой всплывающим пузырьком
Между газом, заключенным в пузырьке, и верхней жидкостью остается прослойка нижней жидкости, как это и изображено на схематическом рисунке (см рис. 4).
Вот теперь попытаемся оценить , сохранив все ранее сделанные упрощения. Будем считать, что границу преодолевает не движущийся пузырек, подобно тому, как, скажем, летящая пуля пробивает доску, а пузырек покоящийся, на который, по мере его укрупнения действует выталкивающая сила . Это означает, что, как и ранее, мы не должны обсуждать ни скорость всплывания пузырьков, ни вязкость граничащих жидкостей, ни какие-либо иные кинетические величины.
Предположим, что плотности граничащих жидкостей практически одинаковы и равны  . В рассматриваемой ситуации на пузырек, отделенный от границы между жидкостями тонким слоем нижней жидкости действуют две силы. Одна из них – выталкивающая сила, стремящаяся продавить пузырек сквозь границу. Другая сила возникает, когда всплывающий пузырек деформирует границу между жидкостями. Эта сила стремится воспрепятствовать увеличению площади между жидкостями в том месте, где пузырек стремится ее прорвать. Эту силу  вычислим, упростив форму границы. В этом упрощении формы границы в основном и заключается упрощенность расчета.
Силу можно оценить, следуя вот каким рассуждениям. Перемещение газового пузырька вверх сопровождается увеличением площади цилиндрической границы между верхней и нижней жидкостями. Если пузырек сместится на величину  , то сопутствующее этому увеличение поверхностной энергии  . Это означает, что всплыванию пузырька будет препятствовать сила  . Вот теперь из условия  , мы легко определим критический размер пузырька, при котором сила оторвет его от столба нижней жидкости. Окутанный ею пузырек всплывает в верхней жидкости. Оценка R* оказывается следующей:
 .
Из формулы следует, что при разумных значениях величин, определяющих R* ( Дж/м2
,  кг/м3
), оказывается, что  м.
Теперь о втором эффекте. Оказывается, что пузырек, прорывающийся через границу в «верхнюю» жидкость, уносит с собой немного «нижней» жидкости, даже если она и тяжелее.
5. Кавитация
Это понятие разъясняется так: образование разрывов сплошности жидкости в результате местного понижения давления в ней. Разрывы жидкости, это конечно же пузырьки. Слово «кавитация» происходит от латинского слова cavitas, что означает пустота.
Временно поставим перед собой иную цель: ознакомимся с основной закономерностью, которой подчиняется жидкость, текущая в трубке. Представим себе горизонтальную трубку переменного сечения, по которой течет жидкость. Там, где площадь сечения поменьше, жидкость течет быстрее, а там, где побольше, - медленнее. Согласно закону сохранения энергии, можно утверждать следующее. Над выделенным объемом текущей жидкости совершается работа сил давления, вынуждающих ее течение. Если жидкость не обладает вязкостью, то эта работа будет расходоваться только на изменение ее кинетической энергии. Закон сохранении энергии дает право приравнять работу сил давления изменению кинетической энергии жидкости. Из этого равенства следует уравнение Даниила Бернулли, которое выполняется в любом сечении трубки:
 .
В этом уравнении  - плотность жидкости,  - скорость ее течения,  - давление жидкости в потоке, а  - величина постоянная. Прочесть ее можно так: сумма плотности кинетической энергии и давления в текущей жидкости остается неизменной.
Записанное уравнение является фундаментальным в науке о жидкости.
Всмотримся в формулу внимательно. Вот что формула гласит: чем уже сечение трубки, тем больше , чем больше , тем меньше , а это означает», что может оказаться настолько большим, что давление станет меньше некоторого критического  . Газовые или паровые пузырьки, имеющиеся в движущейся жидкостии попавшие зону, где  , начинают увеличиваться в объеме, жидкость «кавитирует», превращаясь в пенообразную среду. Перемещаясь вместе с потоком в область, где давление  , пузырьки начинают схлопываться и исчезают.
Итак, мы с уверенностью предсказываем появление пузырьков в текущей жидкости, основываясь, как на фундаменте, только на законе сохранения энергии. Фундамент надежный и пузырьки искать следует.
В действительности кавитация может происходить и тогда, когда в жидкости по какой-либо причине возникают участки, в которых скорость ее движения различна. Например, вблизи вращающихся лопастей теплохода, или вблизи стержня, вибрирующего в воде.
«Капля камень точит»- это известно всем. А вот, что пузырек металл разрушает, - это кажется не общеизвестно. Зарегистрировано множество случаев разрушения гребных винтов быстроходных кораблей кавитационными пузырьками. Эти разрушения иной раз выводят винт из строя всего за несколько часов хода корабля. Кавитационная зона вблизи вращающегося гребного винта строителям кораблей тщательно исследуется с целью избрать оптимальную форму, при которой без ущерба для прочих характеристик корабельного винта его кавитационнная стойкость будет наибольшей. Это важный этап в конструировании и изготовлении корабля.
А вот еще один пример разрушающего воздействия кавитации. Если в воде будет вибрировать металлический стержень, его торцевая поверхность покроется очагами кавитационного разрушения: пузырьки металл разрушают.
Есть несколько предположений о механизме передачи летящего пузырька поверхности металла. Достигнув поверхности препятствия, пузырек может быстро схлопнуться, возбудить ударную волну, и это повлечет за собой удар воды по поверхности. Физики, подробно, изучавшие кавитационные разрушения металлов, убедились в том, что импульсные давления, воспринимаемые поверхностью, оказываются достаточными, чтобы пузырьки создавали и развивали очаги разрушений на поверхности металла. Например, так: многократно повторяющиеся импульсные напряжения приводят к локальным усталостным разрушениям.
Заключение
В ходе выполнения работы были рассмотрены и изучены только часть вопросов, связанных с изучением свойств пузырей в жидкости.
В каждом разделе работы были рассмотрены различные процессы, происходящие с пузырями в жидкости и показано, как общие законы физики обнаруживают себя в этих явлениях. Так, при свободном всплывании пузырька в режиме ламинарного течения воды применялась формула Дж. Г. Стокса, для определения давление газа, заключенного в пузыре - закон Менделеева — Клайперона, а основная закономерность, которой подчиняется жидкость, текущая в трубке, описывается уравнение Д. Бернулли, которое является фундаментальным в науке о жидкости.
Можно сделать вывод, что пузырек оказывается главным участником очень важных технологических процессов и физических явлений.
В работе рассмотрены следующие вопросы: 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).
Выполнен модельный опыт о флотации.
В процессе выполнения работы получены дополнительные знания по физике, которые могут быть использованы в дальнейшей учебной деятельности.
В заключении следует отметить, что тематика данной исследовательской работы является достаточно актуальной и поэтому и достаточно интересной.
Список использованных источников и литература
1. Гегузин Я.Е. Пузыри. – М.: Наука, 1985. – 176 с.
2. Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 1. – М. Наука, 1990
3. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Тепломассообмен и воны в газожидкостных системах. – Новосибирск: Наука, 1984. – 301 с.
|
