Sóng mao mạch trong tia

21

Tại Hội nghị các nhà vật lý trẻ thành phố lần thứ IX ở Kiev (tháng 4/1975), một học sinh lớp 8 trường cấp hai số 145 Stanislav Sokkin đã báo cáo về chủ đề “Sóng thành dòng khi có chướng ngại vật”.
Bản báo cáo nói về các thí nghiệm được thực hiện với dòng nước hoặc một số chất lỏng khác.
Những thí nghiệm này, rất đơn giản và trực quan, không yêu cầu bất kỳ thiết bị đặc biệt nào, giúp chúng ta có thể làm quen với một hiện tượng vật lý khá phức tạp - sự xuất hiện của sóng mao dẫn trên bề mặt chất lỏng.
Ở đây chúng tôi công bố (với một số chữ viết tắt) nội dung của báo cáo này.

Nếu để ý kỹ, bạn có thể thấy nhiều hiện tượng thú vị ngay cả trong dòng nước. Hãy thử mô tả và giải thích một trong số chúng.

Chúng tôi đặt một cái đĩa (hoặc thậm chí chỉ một ngón tay) dưới dòng nước mỏng ở khoảng cách 1-7 cm so với vòi (nơi dòng chảy vẫn có thể được coi là dòng nước nhiều lớp). Ngay lập tức, một phần dòng chảy phía trên tấm sẽ trở thành giống như một chiếc đàn xếp (Hình 1). Chuyện gì đã xảy ra thế?

22

Nguyên nhân là do sức căng bề mặt của chất lỏng. Do đó, tia phản lực dường như được bọc trong một lớp màng (tương tự như ống cao su hoặc sợi dây căng). Dưới tác động của các tác động ngẫu nhiên bên ngoài, lớp màng này bị biến dạng và các rung động bắt đầu xuất hiện trong đó. Các dao động lan truyền trên bề mặt và sóng bề mặt gọi là sóng mao dẫn xuất hiện trong tia. Không khó để giải thích sự hình thành của chúng một cách định tính.

Để bề mặt chất lỏng bị cong ngẫu nhiên ở một số chỗ, chẳng hạn trở nên lõm (Hình 2, a). Áp suất trong chất lỏng dưới bề mặt lõm, do lực căng bề mặt, nhỏ hơn ở các khu vực lân cận nơi bề mặt vẫn phẳng. Dưới tác động của sự chênh lệch áp suất, chất lỏng từ các khu vực lân cận bắt đầu chảy dưới bề mặt lõm cho đến khi bề mặt trở lại phẳng. Nhưng chuyển động của chất lỏng sẽ không dừng lại mà sẽ tiếp tục theo quán tính. Do đó, bề mặt sẽ trở nên lồi, áp suất bên dưới nó sẽ tăng lên và chất lỏng sẽ chảy ra từ bên dưới nó (Hình 2, b), v.v. Những rung động như vậy trong chất lỏng đương nhiên sẽ gây ra những rung động tương tự ở các khu vực lân cận, tức là sẽ xuất hiện một sóng.

Nói chung, sóng bề mặt cũng phát sinh dưới tác dụng của trọng lực. Nhưng ở biên độ dao động nhỏ và bước sóng ngắn, lực căng bề mặt đóng vai trò chính. Sóng trong trường hợp này được gọi là mao dẫn.

Bạn có thể xác minh trực tiếp bằng thí nghiệm rằng trong một máy bay phản lực khi có chướng ngại vật thì chính xác là các bề mặt sóng sẽ phát sinh. Chúng tôi chạm nhẹ vào các góc nhọn chỉ trên bề mặt của tia phản lực - đàn accordion giống hệt như khi đặt chướng ngại vật trên toàn bộ mặt cắt ngang của tia phản lực (Hình 3).

Sau khi thực hiện một số thí nghiệm, có thể suy ra các mô hình định lượng chưa được khám phá. lý thuyết

23

Thể tích $V$ nước chảy ra khỏi vòi trong thời gian $t$ bằng

$$V = Svt = \frac{\pi d^2}{4}vt,$$

trong đó $S$ là diện tích phần tia, $d$ là đường kính của phần này, $v$ là tốc độ nước chảy ra, bằng tốc độ truyền sóng. Từ đây

$$v = \frac{4V}{\pi d^2t}.$$

Thể tích của nước có thể được đo bằng cốc thủy tinh, đường kính của dòng nước bằng thước kẻ và thời gian bằng đồng hồ bấm giờ.

Đồ thị thu được bằng thực nghiệm về mối quan hệ giữa $\lambda$ và $v$ được thể hiện trong Hình 4.

Câu hỏi có thể nảy sinh - tại sao chúng ta lại nhìn thấy một chiếc đàn accordion? Biên độ của sóng đầu rất nhỏ (vào khoảng một phần mười và thậm chí một phần trăm milimét), do đó không thể phân biệt trực tiếp giữa chỗ phình và chỗ lõm trên bề mặt của tia. Tuy nhiên, những tân tinh này, liên quan đến ánh sáng chiếu vào chúng, hoạt động giống như thấu kính lồi và lõm (chúng thu thập và tán xạ ánh sáng). Trên thực tế, chúng ta nhìn thấy các sọc sáng và tối xen kẽ tương ứng ở các chỗ phồng và vlinnes.

Lưu ý rằng các thí nghiệm có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều chướng ngại vật khác nhau: tấm nhựa, kim loại hoặc giấy, và thậm chí chỉ là mặt nước. Đặc tính đàn hồi của vật liệu chắn là khác nhau, nhưng tốc độ và bước sóng trong tia nước là như nhau trong mọi trường hợp.

Để kết luận, chúng tôi cung cấp cho bạn một số nhiệm vụ thử nghiệm.

Bài tập

1. Khám phá đàn accordion trong dòng không chỉ nước mà còn cả các chất lỏng khác.
2. Lấy và kiểm tra đàn accordion theo dòng ngang.
3. Khám phá đàn accordion trong máy bay phản lực với quyền khác nhau.