ДОСЛІДЖЕННЯ КАПІЛЯРНИХ ХВИЛЬ В СТРУМЕНІ РІДИНИ

О.В.Субцельний, 11 клас, Гімназія № 1 ім. Володимира Красицького,

 м. Хмельницький

Науковий керівник: М.С. Міль

Педагогічний керівник: М.С. Міль

Під впливом випадкових дій на струмінь рідини на поверхні струменя малого діаметра виникають капілярні хвилі, внаслідок чого струмінь розпадається на окремі частини. Частота коливань цих хвиль визначається параметрами струменя (діаметром, швидкістю поширення хвиль) та рідини (густиною, коефіцієнтом поверхневого натягу). Під дією на струмінь звукових хвиль, частота коливань яких співпадає з частотою коливань хвиль на поверхні струменя внаслідок резонансу, розпад струменя відбувається раніше.

Струмінь рідини розпадається на краплі різного розміру. При цьому  максимальна кількість крапель буде мати розмір, близький до розміру крапель, об’єм  яких дорівнює об’єму ділянки струменя завдовжки рівній довжині хвилі максимальної нестійкості. При накладанні сторонніх джерел коливань з постійною частотою спостерігається  розпад струменя на краплі, які мають більшу монодисперсність. Це явище використовується для отримання  дрібнодисперсних аерозолів при виготовленні напівпровідникових мікросхем, покритті кремнієвих пластин великих розмірів світлочутливим шаром при виготовленні сонячних батарей, одержання монодисперсних краплин в розпилювачах гранульованого продукту з заданими характеристиками в грануляторах, медичних мікродозаторах,  пристроях  електрокраплеструминного друку,  автоматизованому  паянні  та  нанесенні  рельєфу;  порошковій металургії; розпиленні пального в форсунках потужних енергетичних установках тощо.

Актуальність теми полягає в дослідженні капілярних хвиль в струмені рідини з метою спрогнозування процесу розпаду струменя.

Метою роботи є вивчення гідромеханічних умов розпаду струменя рідини на краплини. Відповідно до цієї мети необхідно вирішити такі завдання:

– встановити механізм виникнення та параметри капілярних хвиль в струмені рідини;

– встановити причини розпаду струменя на краплини та фактори, які сприяють розпаду;

– отримати залежність між параметрами капілярної хвилі: довжиною хвилі, частотою та швидкістю поширення, густиною рідини і коефіцієнтом поверхневого натягу для струменя сталого перерізу;

– отримати залежність між параметрами капілярної хвилі: довжиною хвилі, частотою та діаметром струменя, густиною рідини і коефіцієнтом поверхневого натягу при заданій швидкості поширення хвиль;

–  створити установку для дослідження капілярних хвиль в струмені рідини;

– обчислити довжини хвиль для струменів різних рідин і різних діаметрів і довести, що хвилі в струмені рідини є капілярними;

– обчислити безрозмірний коефіцієнт в формулах, отриманих методом розмірностей.

В основу роботи покладено методи моделювання, ідеалізації, формалізації, аналогії.

Отримані результати дозволяють спрогнозувати процес розпаду струменя рідини під впливом звукових хвиль і оцінити значення частоти коливань, при якій цей процес відбудеться.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в отриманні методом розмірностей формул для обчислення параметрів капілярних хвиль в струмені рідини та їх експериментальних дослідженнях.

Висновки:

1. Під дією звукових хвиль струмінь рідини розпадається на окремі краплини  однакових розмірів співрозмірних з довжиною хвилі.

2. Довжина хвилі в струмені даного перерізу зменшується, а частота коливань зростає із збільшенням швидкості поширення хвилі. При малих швидкостях зміна довжини хвилі малопомітна.

3. Частота коливань капілярної хвилі в струмені рідини при незмінній швидкості поширення тим більша, чим більший коефіцієнт поверхневого натягу, менша густина і менша площа перерізу струменя.

4. Формули для розрахунку резонансної частоти в струмені рідини встановлюють функціональну залежність між параметрами капілярної хвилі, струменя і рідини, але виникає необхідність в експериментальному визначенні безрозмірного коефіцієнта.

Перелік посилань:  

1. Брук Ю., Стасенко А. Метод размерностей помогает решать задачи// Квант. – 1981. – №6. – С. 14.
2. Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С. Физика в примерах и задачах. – М.: Наука, 1989. – 462 с.
3. Гончаренко С.У. Фізика: Пробний навчальний посібник.– К.: Освіта,1995. – 421 с.