Про каплю...

По молодости много чем увлекался, мастерил руками, ставил физические (и не только) опыты - ну, в общем, осваивал окружающий мир. И как-то, в институтские годы, пришла мысль обуздать каплю.  А так как в числе увлечений была и фотография, то обуздание виделось в виде съёмки процесса падения капли в воду.


Навернуть промежуточные кольца под объектив, чтобы снимать каплю крупно, с малого расстояния, было несложно (фотоаппарат "Зенит"). Реконструировать фотовспышку, чтобы давала импульс небольшой мощности, но очень короткий, тоже не вызвало осложнений. Соорудил капельницу, поставил ванночку и начал "на глаз" ловить момент падения капли. Проявив две отснятые плёнки лишь на двух кадрах увидел каплю, как таковую, но воды она не касалась... В общем, в таком исполнении идея не реализовывалась. И тогда я сел за разработку-изготовление специального аппарата - капля прерывала луч света, с этого момента аппарат отсчитывал задаваемое вручную время задержки, после которого подавал импульс на поджиг вспышки. И вот когда аппарат заработал, дело пошло! Падение каждой капли сопровождалось вспышкой. Глазом было отлично видно фазу падения капли - вручную подгонял время задержки, снимал кадр очередного падения. Добавлял время - ещё кадр. И так далее. Оказалось, что повторяемость кадров в одной фазе падения (с одной задержкой) очень хорошая - конкретная форма "неровностей" и брызг, конечно, разная, но общая форма очень стабильна. В результате хронологически выстроенная подборка выглядит, как кадры съёмки падения одной капли. Ниже результат, собранный в одно фото.

Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост

Прошли "плёночные" времена, поменялась техника и как-то вспомнилась та старая затея. Решил это дело повторить на новом уровне. Старого прибора уже не было (разобрал), сделал новый, намного проще - оказалось, этого более, чем достаточно. Вспышку переделывать уже не пришлось - современные позволяют штатно выставить нужный режим импульса света. Объектив тоже современный, для макросъёмки. Первые технически пробы прошли вполне удачно - всё корректно работало.

Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост

Дальше начал придумывать, как бы это дело разнообразить. Вот, что в итоге получалось.

Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост
Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост

Когда капля падает в воду, то она пробивает там сферическое углубление, которое потом схлопывается. При схлопывании получается кумулятивный эффект, в результате чего вверх выбрасывается столбик воды. На кадре ниже снята это самое сферическое углубления, вид сверху).

Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост

Далее более художественные варианты за счёт разноцветной подсветки.

Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост
Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост
Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост

А тут - падение на твёрдую поверхность...

Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост
Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост
Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост

А вот тут падение капли на тонкий слой воды - неплохо получилось:

Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост

А потом ещё возникла мысль снять процесс, когда падающая капля разрезается тонкой (0,1 мм) проволокой. Для большей эффектности при съёмке добавлена цветная небольшая (оранжевая) подсветка. Кадры собраны в линейку, поэтому тут они выглядят мелко, лучше посмотреть непосредственно на сайте: http://foto-tula.ru/picview.php?num=53782

Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост

Пара кадров из этой подборки крупно:

Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост
Про каплю... Вода, Капли, Фотография, Макросъемка, Физика, Длиннопост
Вы смотрите срез комментариев. Показать все
29
Автор поста оценил этот комментарий

Видел как минимум 3 научных статьи, которые базировались на похожих фотографиях. Кстати разрезание струной очень интересное в плане происходящих эффектов. Например откуда "волны на поверхности"

раскрыть ветку (20)
18
Автор поста оценил этот комментарий

Таких статей сейчас сотни: в процессах падения капли спрятана масса всяких интересных эффектов, которые проявляются в зависимости от кучи факторов (жидкости, из которой состоит капля, смачиваемости поверхности, глубины жидкого слоя, куда падает капля, скорости и размера капли...) Ко всему прочему какие-то эффекты можно смоделировать на компе довольно легко, а над какими-то придётся помучиться.

Сама пару статей на эту тему писала :)


А волны при разрезании капли возникают из-за поверхностного натяжения и имеющегося импульса половинок капли?

раскрыть ветку (16)
23
Автор поста оценил этот комментарий

Да, капля на приличной скорости встречается с препятствием, начинается динамическое взаимодействие - кинетическая энергия стремится раскидать воду по сторонам, а поверхностное натяжение стремится стянуть её обратно в шарик (два шарика в данном случае).

Капли вообще очень склонны к колебаниям. Вот на кадре видно (по волнообразным следам), как вибрирует форма мелких капель при разлёте после сильного удара исходной капли о твёрдую поверхность (это весенняя капель, съёмка без вспышки, время экспозиции 20 миллисекунд)


То, что статей много - это понятно. Но ведь когда сам достигаешь чего-то - это очень интересно!

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку (1)
5
Автор поста оценил этот комментарий

Конечно) обзор статей помогает обратить внимание на эффекты, о которых до этого особо не задумывался...

Например, даже просто летящая в воздухе капля пульсирует, меняя свою форму.

Форма короны и выбрасываемой струи может быть совсем разной. С неё могут срываться новые капельки или же корона может подниматься как тонкая плёнка жидкости.

А ещё ни короны, ни струи может вообще не быть - вместо короны жидкость просто схлопывается за каплей, и получается пузырь.

1
Автор поста оценил этот комментарий

Ты изучала гидроаэродинамику?

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Да

1
Автор поста оценил этот комментарий

а можете что-нибудь интересное для примера скинуть? пару статей? или ресурс, где можно найти DOI таких и похожих. Спасибо!)

раскрыть ветку (4)
1
Автор поста оценил этот комментарий

Например, вот: https://www.researchgate.net/publication/285385466_Droplet_i...

Здесь как раз исследуют, как будет происходить процесс падения капли в глубокий слой жидкости, в зависимости от соотношения различных параметров, что измеряют с помощью безразмерных критериев. Исследование проводят численно - сопоставляет расчёты с имеющимися экспериментами и затем просчитывают другие случаи, пробуя предсказать, что будет при изменении параметров.

А вот ссылка на одну из статей, где я являюсь соавтором) https://www.researchgate.net/publication/321354452_Simulatio... - здесь мы сделали неплохой обзор статей по тематике.

Дальше просто идём по статьям из списка литературы и смотрим, куда приведут ссылки)

Что касается поиска статей - рекомендую соцсеть научных работников researchgate.net, там можно посмотреть все публикации авторов статей и увидеть свежие данные.

раскрыть ветку (3)
1
Автор поста оценил этот комментарий

такого развернутого ответа не ожидал) и быстро) спасибо огромное!!

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Да не за что) рада поделиться :)

1
Автор поста оценил этот комментарий

Серьёзный подход, однако!

Автор поста оценил этот комментарий

Ясно откуда энергия, но почему там возникают именно такие колебания, а не просто нагрев и почему они скажем имеют такой размер. У меня есть подозрение, что тут участвуют колебания струны и волны поменяются, если изменить длину струны.
Скажу сразу, я не знаю правильного ответа

раскрыть ветку (6)
Автор поста оценил этот комментарий

Нет, струна тут не играет колебательной роли. Если по поверхности воды (достаточно быстро) провести прутком, то от прутка конусом будут расходиться волны. Параметры этих волн будут определяться скоростью и размером прутка (количество привнесённой энергии) и силой гравитации и плотностью воды. Пруток при этом не вибрирует. В случае с каплей и струной характер волнообразования аналогичен, только вместо гравитации - поверхностное натяжение.

раскрыть ветку (5)
Автор поста оценил этот комментарий

Но можно ли получить настолько мелкие волны таким образом? И  могли ли они образоваться если, судя по ровному "разрезу", половины капли не успевают начать принимать оптимальную с точки зрения поверхностного натяжения форму шара, то есть прошло очень мало времени

раскрыть ветку (4)
1
Автор поста оценил этот комментарий

Ну вот посмотрите на этот кадр - капля ударяется о воду. В данном случае в центре удара/контакта часть воды очень динамично выдавливается в стороны (правый кадр). Поверхностное натяжение не справляется с такой кинетической энергией и вода разлетается. Обратите внимание на тонкость тонкость струек - их размер говорит о характерной длине волны для взаимодействия воды при таких скоростях-энергиях. Если бы энергия была несколько меньше, поверхностное натяжение удержало бы воду, но по поверхности побежали бы волны приблизительно такой длины.

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку (3)
1
Автор поста оценил этот комментарий

Не знал про размер струек, интересно.
Однако в данном случае поверхность капли ровная, то есть волны не успели пройти от низа капли до вершины. Мне кажется в случае с разрезанием жестко зафксированным предметом было бы примерно то же самое - ровная поверхность капли, пока половины не начнут принимать шарообразную форму.

раскрыть ветку (2)
2
Автор поста оценил этот комментарий

Если бросить камень в воду, то сразу образуются короткие волны всплеска (включая брызги), после чего расходятся уже длинные волны, свойственные воде при нашем тяготении.


Сам механизм, похоже, такой. Камень в пруд (или проволока в каплю) внедряется на достаточно высокой скорости - выше скорости распространения поверхностных волн в этой среде. Непосредственно в зоне контакта вода жёстко выдавливается со скоростью "сверхзвука". Это движение порождает короткие волны - длинная волна не успевает образоваться, так как вода вытесняется быстрее скорости распространения поверхностной волны. С течением времени длина волны растёт. Тут картина волнового процесса более сложная, нежели "чистый" классический вариант - тут дополнительно наложен массоперенос жидкости и изменение общей геометрии зоны процессов.


Такие-же трансформации длины волн наблюдаются и на чисто водяном варианте - посмотрите картинку, это две фазы процесса. Левый кадр ближе по времени к удару, волны короткие, правый кадр позже - волны длиннее.

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку (1)
1
Автор поста оценил этот комментарий

Теперь верю, спасибо!

Автор поста оценил этот комментарий
Откуда?
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Понятия не имею) Поэтому и интересно

Автор поста оценил этот комментарий
оттуда
Вы смотрите срез комментариев. Чтобы написать комментарий, перейдите к общему списку