Quan sát và chụp ảnh các quá trình nhanh

46

Quan sát và chụp ảnh các quá trình nhanh xảy ra

S. M. BELOUSOV, R. N. GERASIMOV

Cuốn sách “Không thể tiếp cận bằng mắt” của J. Darius đã đưa chúng tôi đến với tác phẩm này, trong đó chúng tôi đọc về nhiếp ảnh tốc độ cao và xem những bức ảnh thú vị.

Chúng tôi quyết định lắp ráp một thiết lập cho phép chúng tôi chụp ảnh các quá trình nhanh chóng. Và cái gì

Bài viết này do học sinh Leningrad viết, nói về công trình sâu rộng và thú vị được thực hiện bởi các tác giả - sinh viên lớp 9 Trường Vật lý số 45, Đại học bang Leningrad - trên cơ sở Viện Nghiên cứu Vật lý của Đại học bang Leningrad.

Nếu những quá trình này cũng có thể được quan sát trực tiếp bằng mắt thì chúng tôi đã lắp đặt một thiết bị hoạt nghiệm. Sơ đồ khối cài đặt của chúng tôi được hiển thị trong hình 1.

Quá trình giọt nước rơi trên mặt nước được lấy làm đối tượng nghiên cứu.

Giọt tiếp theo rơi xuống nước làm gián đoạn chùm tia laze, làm tối điốt quang. Một xung điện từ photodiode đạt đến bộ đếm thời gian (độ trễ có thể điều chỉnh), cần thiết để có thể quan sát được các giai đoạn khác nhau của quá trình đang nghiên cứu. Xung trễ đi vào bộ khuếch đại hình thành, mở ra, khuếch đại nhiều lần và đốt cháy đèn flash.

Để giọt nước không bị nhòe trong ảnh, cần có thời gian phơi sáng khá ngắn. Thời gian này (τ) có thể được ước tính dễ dàng dựa trên các thông báo sau. Một giọt nước rơi từ độ cao H=20cm xuống nước có vận tốc ở mặt nước

48

Ảnh 1. τ=0.
Ảnh 2. τ=9 ms.
Ảnh 3. τ=19 ms.
Ảnh 4. τ=34 ms.
Ảnh 5. τ=59 ms.
Ảnh 6. τ=96 ms.
Ảnh 7. τ=135 ms.
Ảnh 8. τ=154 ms.
Ảnh 9. τ=169 ms.
Ảnh 10. τ=188 ms.
Ảnh 11. τ=228 ms.
Ảnh 12. τ=262 ms.

48

49

biểu đồ S1-64. Xung hiện tại xảy ra khi giọt nước đi qua chùm tia laze dẫn đến khởi động quá trình quét A. Sau một thời gian $T$, được xác định bởi vị trí của các nút “thời gian quét A” và “độ trễ quét B”, máy hiện sóng sẽ tạo ra xung kích hoạt quét bị trễ (quét B). Xung này được cung cấp cho đầu vào của bộ kích hoạt bên ngoài của bộ tạo xung G5-63. Xung do máy phát điện tạo ra được đưa vào mạch đánh lửa của đèn flash. Thời gian trễ được đặt bằng chiết áp nhiều vòng trong phạm vi từ 0 đến 400 μs và không có độ chính xác 1 μs.

Chúng tôi chụp ảnh một giọt nước rơi xuống nước từ những độ cao khác nhau. Thành công và đầy đủ nhất là loạt ảnh chụp những giọt nước rơi từ độ cao 37,5 cm. Các bức ảnh của loạt ảnh này diễn ra tuần tự, giống như các giai đoạn của một quá trình ban đầu. Trong các bức ảnh, bạn có thể thấy một chiếc thước có vạch chia milimet; nó thiết lập quy mô. Tất cả các bức ảnh được chụp ở cùng một tỷ lệ. Thời gian $t$, được nêu trong chú thích của các bức ảnh, đã không còn xuất hiện kể từ thời điểm những giọt nước chạm vào nhau. Việc chụp ảnh được thực hiện bằng máy ảnh Zenit trên phim Aerophoto (1400 chiếc).

Dưới đây là mô tả ngắn gọn về bức ảnh.

Khi rơi xuống nước, giọt nước dao động nên có dạng không phải hình cầu. Một giọt nước lơ lửng trên mặt nước được chụp trong ảnh 1 và 2. Một giọt nhỏ có thể nhìn thấy phía trên giọt nước trong ảnh 1. Đây được gọi là quả bóng Plato, xảy ra khi một giọt nước được tách ra khỏi ống nhỏ giọt.

Khi chạm vào nước, giọt nước sẽ ép chất lỏng bên dưới dọc theo các cạnh của nó thành một hình trụ mỏng. Ảnh 2 cho thấy sự bắt đầu của quá trình này. Chất lỏng ở các cạnh của một hình trụ ngày càng tăng có lợi hơn về mặt năng lượng so với việc hình thành các giọt. Từ các thông điệp đối xứng, rõ ràng là các giọt phải được phân bố đều dọc theo các cạnh của hình trụ. Đó là lý do tại sao họ có được những bức ảnh màu đỏ như ảnh 3, trong đó hình trụ trông giống như một chiếc vương miện.

Dưới tác dụng của trọng lực và sức căng bề mặt, vương miện bắt đầu rơi ra (ảnh 4). Khi vương miện rơi ra hoàn toàn, một lỗ nước sẽ hình thành ở vị trí của nó; sau một thời gian sẽ hình thành một hố nước.

Ka sụp đổ và một chiếc stolnik bắt đầu mọc ra từ trung tâm của nó (ảnh 5).

Cột phát triển và lốp đi và đến một lúc nào đó đạt đến độ cao cao nhất (ảnh 6).

Dưới tác dụng của lực bề mặt, một cây cầu được hình thành trên cột và cột vỡ ra thành những giọt rơi trở lại chất lỏng. Các giai đoạn phân rã cột thành giọt liên tiếp được thể hiện trong ảnh 7-9. Trong quá trình quan sát hoạt nghiệm, chúng tôi nhận thấy tùy theo độ dày và chiều cao của cột mà nó vỡ thành số lượng giọt khác nhau. (Sự sụp đổ của cột là do khi các giọt hình thành, tổng năng lượng bề mặt của chúng nhỏ hơn năng lượng của cột.) Hóa ra số lượng giọt mà cột phân hủy không phụ thuộc vào hệ số căng bề mặt mà chỉ được xác định bằng tỷ lệ giữa đường kính và chiều cao của cột.

Sau khi những giọt nước từ cột bị phân hủy rơi xuống nước, một hố nước lại hình thành và cột bị hút vào từ giữa (ảnh 10-12).

Văn học

1. J. Daris. Không thể tiếp cận bằng mắt - M.: Mir, 1986.
2. Vâng. E. Geguzin. Làm rơi. - M.: Nauka, 1973.
3. Cuộc sống trong phòng thí nghiệm tại nhà. - M.: Nauka, 1984. - (Loạt bài: Thư viện «Kvant», số 4).
4. Vâng. E. Geguzin. Bong bóng. - M.: Nauka, 1985. - (Loạt bài: Thư viện «Kvant», số 4).
5. Album chất lỏng và chất khí chảy. - M.: Mir, 1986.