Форма дождевой капли
Форма дождевой капли — форма капли дождя, которую она принимает в свободном полете из облака до поверхности Земли. [⇨] Мелкие капли до 2 мм близки к сфере, более крупные приобретают приплюснутую снизу форму «булочки для гамбургера», [⇨] а при их увеличении до 5 мм капля нестабильна и происходит ее преобразование в вогнутую форму раскрытого парашюта или другие формы, после чего она распадается на множество мелких брызг. [⇨] Первые исследования формы дождевых капель относятся к концу 1800-х гг. и принадлежат Ф.Ленарду и В.Бентли. [⇨]
Форма летящей капли[править]
БСЭ сообщает, что дождевые капли в своем падении под действием поверхностного натяжения и встречного потока воздуха принимают форму «булочки»:[1]
На фото выше приведены фотографии падающих дождевых капель с диаметрами:
- а — 6 мм при скорости 8,8 м/сек;
- б — 4,8 мм при скорости 8,3 м/сек;
- в — 2,8 мм, при скорости 6,8 м/сек.
Таким образом, традиционное изображение капли в виде «слезинки» не соответствует действительности.[2]
Зависимость формы капель от их размера[править]
Форма капли зависит от ее размера: для маленьких капель сила поверхностного натяжения делает форму более сферической, тогда как с увеличением размера капли под действием встречного воздушного потока ее форма приобретает все более приплюснутую форму:
На рисунке выше показано (a) сравнение формы капель радиусами 1, 1.5, 2, 2.5 и 3 мм из статья Росса 2000 г.[3] (b)(c)(d)(e) — форма капли неискаженным радиусом 0.5, 1.0, 3.0, 4.5 мм.[4]
Поток воздуха, действующий на каплю[править]
Встречный поток воздуха создает внизу капли область высокого давления, а выше нее — область низкого давления:[5]
Под диаметром капли здесь понимается диаметр полностью сферической (не искаженной) капли той же массы.
Видео обтекания цилиндра в ламинарном потоке можно просмотреть по ссылке.[6]
Ниже показана анимация обтекания частицы потоком (Mach=2/Re=50 "Kidney-shape") с сайта Калифорнийского университета (Санта-Барбара):[7]
Вогнутость нижней части капли[править]
Область высокого давления делает нижнюю часть капли более плоской, или даже вогнутой:
На фотографии выше показана большая водяная капля в свободном падении.[8]
Разрушение больших капель в полете[править]
Французские ученые Эммануэль Вильермо и Бенджамин Босса[9] в июле 2009 г. опубликовали в журнале Nature Physics исследование разрушения капель под действием встречного потока. [10]
Фото Эммануэля Вильермо, 2009[11]
По словам исследователя, каждая капля распадается индивидуально и независимо от их соседей на пути к земле.[12]
Таким образом, дождевая капля в процессе распада может приобрести форму раскрытого парашюта.[13]
Виды разрушения капель[править]
На фотографии выше показаны три различных вида последовательности распада капель с интервалами между кадрами 2 мс, полученные другими исследователями (Barros, Ana P., Olivier P. Prat, Prabhakar Shrestha, Firat Y. Testik, Larry F. Bliven, 2008). (а) волокнистый (filament), (b) потоковый (sheet) и (c) дисковый распад капли.[14]
Ранние исследования Ленарда и Бентли[править]
Немецкий ученый Филипп Ленард исследовал форму дождевых капель с 1898 г., а в 1904 г. опубликовал итоговую статью. Для изучения скорости капель он соорудил вертикальный воздушный туннель, где можно было управлять скоростью встречного воздушного потока. Он впервые сообщил, что форма капли отличается от стереотипной «слезинки» и сферична для капель примерно до 2 мм и деформируется в виде плоского дна и закругленной вершины, подобно булочке для гамбургера при увеличении капли, а при размерах свыше 5.5 мм капли нестабильны и распадаются. До этого исследованиями дождевых капель занимался фермер и ученый Wilson A. Bentley, который известен фотографированием снежных кристаллов, а также E.J. Lowe (1892) и J. Wiesner (1895), которые впервые измерили размер дождевых капель.[15]
Источники[править]
- ↑ http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/93236/Капля
- ↑ http://www.ems.psu.edu/~fraser/Bad/BadRain.html
- ↑ Ross, O.N. (2000) Optical Remote Sensing of Rainfall Microstructures, Freie Universitãt Berlin, Fachbereich Physik, Diplom Thesis, 134pp.
- ↑ http://www.it.iitb.ac.in/~pisith/mtp/?id=1
- ↑ http://dorothy714hk.edublogs.org/2007/03/20/the-shape-of-raindrops/ - ссылается на
- Cramer, M.S. (2004). The Shape of Raindrops. http://www.fluidmech.net/tutorials/raindrops/raindrop.htm
- Fraser, A.B. (n.d.). Bad Rain. http://www.ems.psu.edu/~fraser/Bad/BadRain.html
- Heidorn, K.C. (July 1, 2000). Weather Almanac for July 2000 — Raindrops, So Many Raindrops. http://www.islandnet.com/~see/weather/almanac/arc2000/alm00jul.htm
- U.S. Geological Survey (September 14, 2005). Are raindrops shaped like teardrops? http://ga.water.usgs.gov/edu/raindropshape.html
- ↑ http://agarbaruk.professorjournal.ru/examples/cylinder2d
- ↑ http://www.crss.ucsb.edu/music/LEVEL1/compressible.html
- ↑ http://www.ems.psu.edu/~lno/Meteo437/Figures437.html
- ↑ http://www.point.ru/news/stories/20580/
- ↑ Emmanuel Villermaux, Benjamin Bossa. Single-drop fragmentation determines size distribution of raindrops. // Nature Physics 5, 697—702 (2009) Published online: 20 July 2009 | doi:10.1038/nphys1340 http://www.nature.com/nphys/journal/v5/n9/abs/nphys1340.html
- ↑ http://www.mtu.edu/research/archives/magazine/2010/stories/rain-discovery/
- ↑ http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-1201154/Solved-Why-raindrops-alike.html
- ↑ http://news.sciencemag.org/sciencenow/2009/07/20-02.html How a Raindrop Is Like an Exploding Parachute / by Karen Fox on 20 July 2009 // ScienceNOW
- ↑ http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/2008JAS2630.1 Barros, Ana P., Olivier P. Prat, Prabhakar Shrestha, Firat Y. Testik, Larry F. Bliven, 2008: Revisiting Low and List (1982): Evaluation of Raindrop Collision Parameterizations Using Laboratory Observations and Modeling. J. Atmos. Sci., 65, 2983—2993. doi: http://dx.doi.org/10.1175/2008JAS2630.1
- ↑ Keith C. Heidorn, PhD, «Philipp Lenard. Brushing the Teardrops from Rain» // THE WEATHER DOCTOR, July 1, 2000 http://www.islandnet.com/~see/weather/history/lenard.htm