Наблюдение и фотосъёмка быстропротекающих процессов
46
Наблюдение и фотосъемка быстрого протекающих процессов
С. М. БЕЛОУСОВ, Р. Н. ГЕРАСИМОВ
Подтолкнула нас к этой работе книга Дж. Дариуса «Недоступное глаза», в котором мы прочитали про скоростную фотосъемку и увидели интересные фотографии.
Мы решили собрать установку, позволяющую получить фотографию быстропroteкативных процессов. А что
Эта статья, написанная ленинградскими школьниками, рассказывает о большей и интересной работе, которую провели авторы — ученики 9 класса ФМШ № 45 при ЛГУ — на базе Научно-исследовательского института физики ЛГУ.
бы эти процессы можно было также наблюдать непосредственно глазом, установить мы сделали стrobоскопический. Блок-схема нашей установки изображена на рисунке 1.
В качестве объекта исследования был взят процесс padения капель на поверхности воды.
Очередная капля, падая в воду, прерывает лазерный луч, затемняя при этом фотодиод. Электрический импульс с фотодиода попадает на таймер (регулируемая задержка), который нужен для того, чтобы можно было наблюдать разные фазы исследуемого процесса. Задержанный импульс поступает на усилитель-формировать, открывая, усиленный во много раз, идет на поджиг лампы-вспышки.
Для того чтобы капля не была на фотографии размаzanной, нужно достагочно малое время экспозиции. Это время (τ) легко оценить, исходя из следующих сообщений. Капля, падающая в воду с высоты H=20 см, имеет скорость у поверхности воды
48
Фото 1. τ=0.
Фото 2. τ=9 мс.
Фото 3. τ=19 мс.
Фото 4. τ=34 мс.
Фото 5. τ=59 мс.
Фото 6. τ=96 мс.
Фото 7. τ=135 мс.
Фото 8. τ=154 мс.
Фото 9. τ=169 мс.
Фото 10. τ=188 мс.
Фото 11. τ=228 мс.
Фото 12. τ=262 мс.
48
49
лографа С1-64. Импульс тока, возникающий при padеники капли через лазерный луч, приводил к запуску развертки А. Через время , определяемое положением ручек «длинительность развертки А» и «задержка развертки В», осцилографы вырабатываем импульс запуска задержной развертки (развертка В). Этимпульс поступал на вход внешнего запуска импульского генератора Г5-63. Импульс, сформированный генератором, поступал на схему поджигта лампы-вспышки. Время задержки задавалось многооборотным потенциометром в пределах от 0 до 400 мкс и отсутствовось с точностью до 1 мкс.
Мы фотографировали padение капли в воду с разных высот. Найболее удачной и полной получалась серия фотографики капель, padаоших с высоты 37,5 см. Фотографии этой серии идут последовательно, как стадии проискодащего процесса. На фотографиях видна линейка с миллиметровыми делениями, она задает масштаб. Все фотографии сделаны в одном масштабе. Время , которое приводится в подписах к фотографиям, отсутствует от момента касания каплей воды. Фотосъемка велась с помощью фотоаппарата «Зенит» на пленку «Аэрофото» (1400 ед.).
Приведем краткие описания фотографии.
Падая в воду, капля колблется и из-за этого имеет несферическую форму. Капля, зависшая над водой, запечатлена на фото 1 и 2. Над каплей на фотографии 1 видна маленькая капелька. Это — так называемый шарик Плато, возникающий при отрыве капли от капельницы.
Ударясь о воду, капля выдавливает находящую под ней жидкость вверх по своим краям в тонкий цилиндр. На фото 2 видно начало этого процесса. Жидкость на краях все увеличивающегося цилиндра энергетически выгоднее собственся в капли. Из сообщений симметрии ясно, что капли должны быть расположены по краям цилиндра равномерно. Поэтому и получают такие красные фотографии, как фото 3, где цилиндр похож на корону.
Под действием сил тяжести и поверхности натяжения корона начинает опадать (фото 4). Когда корона опадет совсем, на ее месте образуется водонка, через некоторое время водонка
ка схлопывает, и из ее центра начинает расти стольник (фото 5).
Столбик растет и утомляется и в какой-то момент достигает наиболее высокий высоты (фото 6).
Под действием сил поверхности на столбке образуется перемычка, и столбик распадается на капли, которые падают обратно в жидкость. Последовательные стадии распада столбка на капли показаны на фото 7—9. При стrobоскопическом наблюлении мы заметили, что в зависимости от толщины и высоты столбка он распадается на разное число капель. (Распад столбка обусловлен тем, что при образовании капель их суммарная поверхность энергия оказывается меньше, чем у столбика.) При этом оказывается что число капель, на которых распадается столбик, не зависит от коэффициента поверхности натяжения, а определяется только отношением диаметра к высоте столбка.
После того как капли от распавшегося столбка упали в воду, снова образуется водонка, из центра затягивает столбик (фото 10—12).
Литература
- Дж. Дарис. Недоступное глаза — М.: Мир, 1986.
- Я. Е. Гегузин. Капля. — М.: Наука, 1973.
- Обыты в домашней лаборатории. — М.: Наука, 1984. — (Серия: Библиотека «Квант», вып. 4).
- Я. Е. Гегузин. Пузыри. — М.: Наука, 1985. — (Серия: Библиотека «Квант», вып. 4).
- Альбом текущей жидкости и газов. — М.: Мир, 1986.