Липкая вода Автор решения : команда Брейн - индукция

Условия задачи: Направьте вертикальный поток воды на боковую поверхность горизонтально расположенного цилиндра. При определённых условиях вода будет подниматься по нижней поверхности цилиндра выше его нижней точки. Исследуйте этот эффект и влияние на него существенных параметров.

Цели: Сконструировать экспериментальную установку. Исследовать зависимость поднятия воды от различных факторов. Выявить наиболее существенные параметры влияющие на поднятие жидкости. Теоретически обосновать данное явление. Сделать выводы по результатам экспериментов.

Гипотезы: Вода должна удерживаться на цилиндре под действием силы межмолекулярного взаимодействия. На величину поднятия жидкости должны влиять : диаметр цилиндра, температура воды, её кинетическая энергия в нижней точке цилиндра и род поверхности цилиндра.

Экспериментальная установка.

Параметры и проблемы связанные с экспериментальной установкой Объём ёмкости с жидкостью равен 1.5 л. Диаметр трубки по которой подавалась вода равен 5 мм. Скорость истекания воды равна 80 л/ч при 20см/с. Скорость потока жидкости равна 15см/с и 20 см/с. Одинаковая скорость истекания жидкости достигалась путём выдержки одинаковой угловой скоростью вращения колеса насоса.

Устройство для измерения скорости потока воды Данным устройством мы измеряли скорость потока воды через трубку диаметром 5 мм. Мы взяли два фиксированных значения скорости равных 15см/с и 20 см/с. В данном случае мы минимизировали силу трения об ось путём уменьшением веса колеса и добавлением смазки между осью и колесом. Т.о. силой трения можно пренебречь.

Эксперимент 1 Зависимость величины поднятия воды от рода поверхности В данном эксперименте мы рассматривали гидрофильные и гидрофобные поверхности. Такие как латекс, парафин, алюминий, бумага, стекло.

Результаты эксперимента Способ определения угла и высоты подъёма воды: Диаметр цилиндра в данной серии экспериментов 6 см. МатериалВысота подъёма (мм±0.5мм) Длина дуги подъёма (мм±0.5мм) Угол подъёма ˚ Стекло Латекс Парафин Бумага Алюминий h

Эксперимент 2 Зависимость величины поднятия воды от диаметра цилиндра h A B Кинетическая энергия в точке В равна потенциальной и кинетической энергии в точке А. Т.о. оставляя неизменной кинетическую энергию в точке А мы сводим эксперимент к одному изменяющемуся параметру. С

Результаты эксперимента Диаметр цилиндра (см) Высота подъёма (мм±0.5мм) Длина дуги подъёма (мм±0.5мм) Угол подъёма ˚ В данной серии экспериментов использовались стеклянные цилиндры разных диаметров скорость потока воды при этом равнялась 15 см/с. Следует отметить, что угол подъёма воды остаётся неизменным при разных значениях диаметра, высоты и длины.

Эксперимент 3 Зависимость величины поднятия воды от v v Высота подъёма (мм±0.5мм) Длина дуги подъёма (мм±0.5мм) Угол подъёма˚ В ходе эксперимента мы брали стеклянный цилиндр диаметром 6 см и выявляли зависимость величины поднятия воды от скорости потока воды.

Эксперимент 4 Зависимость величины подъёма воды от её температуры В данном эксперименте мы использовали стеклянный цилиндр диаметром 6 см, скорость потока воды равнялась 15см/с. Температура воды (˚±0.5˚) Высота подъёма (мм±0.5мм) Длина дуги подъёма (мм±0.5мм) Угол подъёма ˚

Теоретическое обоснование эксперимента 1 Мы брали различные поверхности гидрофобные и гидрофильные. Гидрофильность стекла обуславливается более сильным взаимодействием между водой и стеклом, чем между молекулами воды. Следовательно чем больше взаимодействие между водой и поверхностью тем на большую высоту может она может подняться.

Теоретическое обоснование эксперимента 1 Стекло является лучшим материалом для данного опыта поскольку угол а является наименьшим. α α Сила взаимодействия между молекулами стекла и воды наибольшая, что позволяет воде забираться на большее расстояние.

Теоретическое обоснование эксперимента 2 - На основе полученных данных можно сказать что важнейшим фактором является угол подъёма воды т.к. кинетической энергии, которой обладает вода в нижней точке цилиндра хватает на то чтобы подняться на определённый угол, который не зависит от диаметра цилиндра. - Высота и длина дуги подъёма жидкости же изменяется вследствие разности потенциальных энергий в точке А. A B

Теоретическое обоснование эксперимента 3 A B При начальном повышении скорости истекания воды угол, высота и длина дуги подъёма воды увеличивается по причине возрастания кинетической энергии в точке В. Однако при дальнейшем повышении скорости вода начинает отрываться от поверхности только достигая точки В по причине того, что

Теоретическое обоснование эксперимента 4 Возрастание угла, высоты и длинны дуги подъёма воды от её температуры обуславливается сразу несколькими факторами: При нагревании плотность воды уменьшается и как следствие этого она лучше «прилипает» к поверхности цилиндра. При повышении температуры сила поверхностного натяжения уменьшается, что свидетельствует о том что сила межмолекулярного взаимодействия уменьшается и вода интенсивнее взаимодействует с поверхностью цилиндра, что позволяет ей подняться на большую высоту.

Почему же вода забирается на цилиндр ? Вода обладая некой кинетической энергией в точке А не может оторваться от поверхности из-за сил межмолекулярного взаимодействия между поверхностью цилиндра и водой. Оказавшись в точке В вода набирает ещё большую кинетическую энергию и по инерции движется вверх по поверхности цилиндра, при этом её кинетическая энергия переходит в потенциальную и когда она становится ра в ной нулю центростремительное ускорения пропадает и вода падает вниз. A B α С mg F R F R

Выводы Вода лучше всего забирается на гидрофильную поверхность. Диаметр цилиндра влияет только на высоту и длину дуги подъёма воды, угол подъёма при этом не изменяется. Оптимальная скорость потока воды равняется 20 см/с. Высота, длина дуги и угол подъёма прямопропорционален температуре воды.