21
На IX Городской конференции юных физиков города Киева (апрель 1975 года) ученик 8 класса средней школы № 145 Станислав Соккин сделал доклад на тему «Волны в стреуе при наличии преграда».
В докладе расссказалось об опытах, проводимых со стреуей воды или какой-нибудь другой жидкости.
Эти опыты, очень простые и наглядные, не требующие никакого специального оборудования, дают возможность познакомиться с довольно сложным физическим явлением — возникновением капиллярных волн на поверхности жидкости.
Здесь мы публикуем (с некоторые сокращениями) текст этого доклада.
Если пристотеться внимательно, то даже в стреуке воды можно увидеть много интересных явлений. Попытаться описать и объяснить одно из них.
Под тонкую водопроводную струю подставим пластинку (или даже просто палец) на расстоянии 1—7 см от крана (где поток еще можно считать ламинарным). Тотчас же часть струи над пластинкой станет похожей на гармошу (рис. 1). Что же произило?
22
Причина всему — поверхностное натяжение в жидкости. Из-за него струя оказывается как бы obtянутой пленкой (подобной резиновой трубке или натянутой струне). Под влиянием случаных внешних воздействий эта пленка деформируется, и в ней начинаются колебания. Колебания распространяются по поверхности, и в струе возникают поверхостные волны, называемые капиллярными волнами. Междузм их образование качественно обьяснить несложно.
Пусть поверхность жидкости в некотором месте сluчайно изогнута, например, стала вогнутой (рис. 2, а). Давление в жидкости под вогнутой поверхностью, благодаря силам поверхностного натяжения, меняше, чем в соседних областях, где поверхность осталась плоской. Под действием разности давления жидкости из соседних участков начет приливать под вогнутую поверхность, пока поверхность снова не станет плоской. Но движение жидкости не прекратиется и будет продолжаться по инерции. Поэтому поверхность станет выпуклой, давление под ней возрастет, и жидкость будет вытекать из-под нее (рис. 2, б) и т. д. Такие колебания в жидкости естественно вызовут аналогичные колебания в соседних участках, то есть возникнет волна.
Вoceше говоря, поверхность волны возникают и под действием силы тяжестки. Но при малых амплитудах колебаний и малых длинах волн основную роль играют силы поверхностного натяжения. Волны в этом случае и называют капиллярными.
Можно непосредственно на опите убедиться в том, что в струе при наличии преграды возникают именно поверхности волны. Слега косемся острнем уголки только поверхности струи — гармошка получается точно такая же, как при внесении преграды по всему сечению струи (рис. 3).
Проделав несколько опытов, можно вывести и неокопые колическенные закономерности. Теоретический
23
Объем воды, вытекающий из крана за время , равен
где — площадь секции струи, — диаметр этого секения, — скорость вытекания воды, равная скорости распространения волны. Отсюда
Объем воды можно измерить с помощью мензурки, диаметр струи — линейкой, а время — секундомером.
Полученный нами экспериментально график зависимости между и показан на рисунке 4.
Может возникнуть вопрос — почему мы видим гармошу? Амплитуды капитлярных волн очень малы (порядка десятых и даже сотых долей миллиметра), поэтому неосредственно различить выпуклости и вплинны на поверхности струи невозможно. Однако эти неовновости по отношению кpadioщему на них свету ведут себя подобно выпуклым и вогнутым линзам (собирают и рассеивают свет). Фактически мы видим чередующие светые и темные полосы соответственно в течение выпуклостей и вплинн.
Заметим, что опыты можно проводить, использя самые разные преграды: пластмассовую, металлическую или бумажную пластинки и даже просто водяную поверхность. Упругие свойства материалов преграды различны, но скорость и длина волны в струе воды во всех случаях одни и те же.
В заключение предлагаем вам несколько экспериментальных заданий.
Уражнения
- Исследовать гармоши в струях не только воды, но и других жидкостей.
- Получить и исследовать гармоши в горизонтальной струе.
- Исследовать гармоши в струях с различным направом.