Форма дождевой капли

Материал из Циклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Raindrop Impact on a Sandy Surface
The Real Shape of Rain Drops

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. [⇨]

Содержание

[править] Форма летящей капли

БСЭ сообщает, что дождевые капли в своем падении под действием поверхностного натяжения и встречного потока воздуха принимают форму «булочки»:[1]

Капля БСЭ.jpg

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]

[править] Зависимость формы капель от их размера

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:

Raindrops.jpg

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]

[править] Поток воздуха, действующий на каплю

Встречный поток воздуха создает внизу капли область высокого давления, а выше нее — область низкого давления:[5]

RaindropShapes rus.png

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]

Обтекание цилиндра 1.jpg Обтекание цилиндра 2.jpg

Ниже показана анимация обтекания частицы потоком (Mach=2/Re=50 "Kidney-shape") с сайта Калифорнийского университета (Санта-Барбара):[7] Обтекание капли анимация.gif

[править] Вогнутость нижней части капли

Область высокого давления делает нижнюю часть капли более плоской, или даже вогнутой:

Dropfall.jpg

На фотографии выше показана большая водяная капля в свободном падении.[8]

[править] Разрушение больших капель в полете

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]

Raindrop mtu.jpg

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]

[править] Виды разрушения капель

Types of raindrops.jpg

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]

[править] Ранние исследования Ленарда и Бентли

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]

[править] Источники

  1. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/93236/Капля
  2. http://www.ems.psu.edu/~fraser/Bad/BadRain.html
  3. Ross, O.N. (2000) Optical Remote Sensing of Rainfall Microstructures, Freie Universitãt Berlin, Fachbereich Physik, Diplom Thesis, 134pp.
  4. http://www.it.iitb.ac.in/~pisith/mtp/?id=1
  5. http://dorothy714hk.edublogs.org/2007/03/20/the-shape-of-raindrops/ - ссылается на
  6. http://agarbaruk.professorjournal.ru/examples/cylinder2d
  7. http://www.crss.ucsb.edu/music/LEVEL1/compressible.html
  8. http://www.ems.psu.edu/~lno/Meteo437/Figures437.html
  9. http://www.point.ru/news/stories/20580/
  10. 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
  11. http://www.mtu.edu/research/archives/magazine/2010/stories/rain-discovery/
  12. http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-1201154/Solved-Why-raindrops-alike.html
  13. 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
  14. 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
  15. 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


Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты