С какой скоростью падают капли дождя
Перейти к содержимому

С какой скоростью падают капли дождя

  • автор:

Окаменевшие капли дождя расскажут о древней атмосфере

Ископаемые дождевые капли

Глубина впадин, которые дождевые капли оставляли в древнем песке, свидетельствует о скорости их падения, а это позволяет определить плотность воздуха в тот период.

Этот «палеобарометрический» метод, о котором было доложено на осеннем заседании Американского геофизического общества, позволит внести коррективы в модели, описывающие климат Земли в докембрийский период.

В то время Земля была совсем не похожа на ту планету, которую мы знаем.

Она вращалась вокруг своей оси гораздо быстрее, Луна находилась на гораздо более близком расстоянии, а солнечное излучение было гораздо слабее. 2,7 млрд лет назад на Земле еще не было флоры и фауны, а атмосфера была непригодна для дыхания.

Затвердевший дождь

«В атмосфере тогда, как и сейчас, по-видимому было немало азота, но кислорода не было совсем, — говорит Санджой Сом, сотрудник Эймсовского исследовательского центра НАСА. — Скорее всего, вместо кислорода в атмосфере присутствовали такие парниковые газы, как метан и двуокись углерода».

В своем докладе на заседании Американского геофизического общества доктор Сом рассказал, что ископаемые дождевые капли были найдены в 80-е годы в ЮАР близ города Вентерсдорп.

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

Конец истории Реклама подкастов

Они имеют вид множества углублений на окаменелой поверхности того, что когда-то было свежим вулканическим пеплом. Эти вмятины были тогда же укрыты новыми отложениями пепла, а затем минерализовались и превратились в камень.

Они стали видимыми в наши дни благодаря эрозии ископаемых пород под воздействием ветра.

Доктор Сом и его коллеги надеются, что эти следы древних капель могут пролить свет на некоторые параметры тогдашней атмосферы планеты.

Они исходят из того, что диаметр углублений определяется скоростью, с которой капли падают на поверхность. Этот параметр, называемый предельной скоростью падения, зависит от силы тяжести и плотности воздуха. Для современной земной атмосферы предельная скорость падения дождевой капли составляет около 9 метров в секунду.

Дополнительным фактором является размер капли, но оказывается, что он не зависит от плотности воздуха, а определяется аэродинамическими силами, которые не связаны с плотностью атмосферы. Самые тяжелые капли 2,7 миллиарда лет назад имели примерно такой же размер, как и сейчас — примерно 7 мм в диаметре.

«Идея состоит в том, что, если воздух в те времена был плотнее, то капли должны были падать медленнее и оставлять выемки в пепле меньшего диаметра. И наоборот, если воздух был более разреженным, то капли падали быстрее и их отпечатки должны быть крупнее», — объясняет доктор Сом.

Воздушное одеяло

Группа исследователей во главе с доктором Сомом провела серию экспериментов, в ходе которых ученые капали водой в поддон с вулканическим пеплом с высоты 25 метров, точно дозируя размеры капель при помощи пипетки.

Это позволило соотнести скорость дождевой капли с диаметром отпечатка, который она оставляла, а затем вычислить на основе этих данных скорость капли определенного размера при разных параметрах плотности воздуха.

Вулканические породы в ЮАР

Ученые пришли к выводу, что если самые крупные из углублений в породах, найденных в Вентерсдорпе, были оставлены самыми большими каплями, то давление воздуха в архейскую эпоху не могло превышать нынешнее более, чем вдвое.

«Но, учитывая наши знания о распределении размеров дождевых капель, нам известно, что капли максимального размера встречаются довольно редко, — говорит доктор Сом. — И если крупнейшие углубления в породах были оставлены каплями меньших размеров, то это означает, что давление воздуха могло быть даже ниже современного».

Данное исследование служит подтверждением гипотезы о том, что ранняя атмосфера Земли содержала значительный объем парниковых газов.

Это объясняет, почему Земля в тот период своего развития, когда солнечное излучение было гораздо более слабым, не превратилась в огромный снежок.

Если древняя атмосфера не обладала такой плотностью, чтобы задерживать тепло, то единственным механизмом, который мог бы уберечь планету от вымерзания, было значительное присутствие парниковых газов, таких как метан, двуокись углерода и водяной пар.

Благодаря свойствам этих газов удерживать тепло, Земля как бы была укутана согревающим одеялом.

Ученые нашли сверхбыстрые дождевые капли

Вводная картинка

Международная группа исследователей обнаружила, что водяные капли во время дождя движутся с гораздо более высокими скоростями, чем считалось ранее. В частности, большое количество капель летит быстрее скорости, характерной для их размера. Об этом сообщает ScienceNOW, а статья ученых появилась в журнале Geophysical Research Letters.

В рамках исследования ученые в течение нескольких лет наблюдали за каплями дождей в Мехико. В общей сложности было изучено более 64 тысяч капель. Падение капель наблюдалось в условиях, когда почти полностью отсутствовал ветер, который вносит в данные наблюдений большие погрешности.

Для падающей капли с некоторого момента сила сопротивления воздуха уравнивает силу притяжения Земли и скорость капли прекращает расти. Таким образом, свободно падающая капля фиксированного размера может разогнаться только до определенной скорости, которую называют предельной. Например, для капли диаметром 100 микрометров предельная скорость равна 30 сантиметрам в секунду.

В результате своей работы исследователи установили, что значительная часть мелких капель в дожде движется со скоростями, превосходящими расчетный предел. Те же 100-микрометровые капли оказались способны падать со скоростью 3-4 метра в секунду.

По словам исследователей, такие сверхбыстрые капли образуются в результате столкновения и разрушения больших «коллег». Дело в том, что после столкновения образовавшиеся капли движутся со скоростью исходных объектов, для которых предельное значение скорости могло быть значительно выше. По словам исследователей, им удалось установить, что с увеличением силы дождя растет и относительное количество мелких сверхбыстрых капель.

Ученые полагают, что новые результаты найдут свое применение при создании компьютерных моделей климатических изменений. Дело в том, что современные модели используют упрощенные схемы образования и выпадения дождя, которые, как показывает новая работа, далеки от истины.

Капля воды — форма, скорость, размер

Капля воды – казалось бы, разве может что-то быть проще? А ведь это действительно удивительное творение природы, изменяющееся в зависимости от внешних условий, собственных размеров, состава и ряда других параметров. Даже её форма, оказывается, может сильно отличаться от привычной. Постараемся, опираясь на науку и современнейшие данные, рассказать о ней побольше.

Капля воды - форма, скорость, размер

Самое интересное кратко

Какова форма капли?

Это зависит от объема – от идеальной сферы до формы, напоминающей купол парашюта.

Какой размер имеет дождевая капля?

Этот показатель серьезно различается – от 0,1 до 7 миллиметров.

Где выпал дождь из самых крупных капель?

В 2004 году в Бразилии и на Маршалловых островах прошел дождь, капли в котором имели диаметр до 10 миллиметров!

С какой скоростью падают капли дождя?

Она зависит от размера и может колебаться от 2 до 30 метров в секунду.

Сколько весит капля воды?

Масса одной капли воды примерно 0,03-0,05 грамма, но надо понимать, что значение может отличаться от состава и размера. Фармацевтической мерой считается капля массой 0,05 г.

Какова форма капли?

Конечно, большинство не задумываясь ответят – каплевидная, то есть, округлая внизу и вытянутая сверху. А ведь это серьезное заблуждение! На самом деле все зависит от размера капли и, соответственно, её массы.

К примеру, если брать небольшую каплю воды, около 2 миллиметров или меньше, то её размер в полете будет практически идеальной сферой. Ведь здесь действует притяжение молекул, которое направлено в центр капли. Однако форма остается такой лишь до тех пор, пока капля достаточно мала, чтобы скорость падения была небольшой и, соответственно, сопротивление воздуха сохранялось минимальным.

Форма капли воды

А вот если её диаметр увеличивается больше 2 миллиметров, то все изменяется. Силы притяжения молекул уже недостаточно, чтобы стягивать их к центру, а скорость падения и сопротивление воздуха увеличиваются. Из-за этого в нижней части создается область повышенного давления, в то время как над каплей формируется область низкого давления. Поэтому больше всего в этот момент капля похожа на купол парашюта – слегка изогнутая в центре и округлая сверху. Причем чем больше масса, тем сильнее изогнута капля в центре.

Поверхностное натяжение воды

Ещё интереснее обстоит дело, если капля увеличивается в полете – к примеру, из-за присоединения других, более мелких. При достижении размера в 7 миллиметров и больше, форма оказывается настолько изогнутой, что капля просто разрывается на две части – молекулярного притяжения уже недостаточно, чтобы удержать её целой. Поэтому обычно даже при самом сильном ливне нельзя увидеть или зафиксировать капли дождя больше 6-7 миллиметров в диаметре. Конечно, даже это бывает довольно редко. Чаще всего причиной столь крупных капель является не прошедший град. В жарком воздухе градины быстро тают и падают на землю уже не в виде льдинок, а как крупные капли воды.

Другой разговор, если речь идет о каплях, падающих не с неба, а, например, капающих из крана. Вот здесь вполне может идти разговор о той самой форме, какая привычна всем с детства «слезинка» – внизу практически идеальный шар, а вот сверху резко утончающийся хвостик. Но такой форма остается считанные мгновения – под своим весом вода оттягивается вниз, «хвостик» удерживающий её, просто рвется, и она падает вниз, в полете уже принимая форму сферы – однако все происходит настолько быстро, что человеческий глаз не успевает этого заметить.

Скорость капель в дожде

Из предыдущего вопроса вытекает новый – какой максимальной скорости может достигнуть капля во время дождя? Этот показатель зависит в первую очередь от двух факторов – размера капли и высоты, с которой она падает. При увеличении любого из них, скорость возрастает.

К примеру, если взять идеальные условия – полное отсутствие ветра и высоту на уровне моря, то капля диаметром в 0,5 миллиметра будет иметь скорость от 2 до 6,6 метров в секунду – в зависимости от высоты, с которой она падает. Если же увеличить диаметр капли в 10 раз, до 5 миллиметров, оставив прочие факторы без изменений, то скорость возрастет уже до 9-30 метров в секунду! А ведь 30 метров в секунду это уже 108 километров в час – весьма серьезная скорость! Если бы капля имела большую плотность, то легко смогла бы доставить множество проблем.

Самые крупные известные капли

Как говорилось выше, обычно максимальный диаметр капель составляет около 6-7 миллиметров – более крупные просто распадаются в воздухе. Однако природа часто создает законы только для того, чтобы их иногда нарушать. Так же обстоит дело и с каплями дождя.

Оказывается, сравнительно недавно, в 2004 году на Маршалловых островах и в Бразилии лил дождь, в котором капли имели размер до 10 миллиметров! Как это возможно и почему они не разорвались в полете, как это бывает обычно? Все дело в плотности. Шел настолько сильный дождь, что стоило только каплям разорваться на более мелкие, как они в свою очередь объединялись с другими, снова достигая невероятного размера.

Вода и капля в невесомости

Капля воды в невесомости

Но, стоит отметить, что здесь и выше речь идет исключительно о нормальных условиях. А какой может быть размер капли в невесомости? Оказывается – практически любой! Ведь здесь нет никакого давления, ничто не пытается расплющить каплю или разорвать на части. Зато поверхностное натяжение никуда не денется – оно по-прежнему будет удерживать форму воды. Так что, если вылить в невесомости литр воды, не позволяя ему прикоснуться к какой-либо поверхности, он замрет в воздухе, сохраняя форму сферы. Но стоит только задеть её пальцем, как капля распределится по всей ладони, руке или даже телу, пытаясь минимизировать площадь поверхности.

А как же свинец?

Знатоки истории и просто люди, интересующиеся оружием, наверняка вспомнят свинцовую дробь, используемую в гладкоствольном. Ведь это ничто иное, как капли свинца, застывшие в холодном воздухе. Как же они, имея довольно большой размер (до 6 миллиметров – все, что крупнее, является уже картечью), сохраняют в воздухе практически идеально круглую форму.

Однако здесь стоит учитывать, что свинец и вода имеют совершенно разную плотность – 11,3 г/см3 против 1 г/см3 соответственно. Поэтому и молекулярные связи в металле значительно сильнее. Как результат – с большой высоты могут падать капли расплавленного свинца диаметром около 5 миллиметров, и при этом они будут сохранять форму шара. Неслучайно для изготовления дроби использовались специальные дроболитейные башни высотой в несколько десятков метров – падая капли принимали нужную форму и в таком виде падали в жидкость (это не вода, как думают некоторые, а мыльный раствор с примесью керосина), моментально охлаждаясь и сохраняя форму.

Капля в фармацевтике

Мало кто задумывается, а ведь капля – это не просто небольшая частица воды или другой жидкости. Это ещё и довольно точная измерительная единица. По крайней мере, фармацевты успешно используют её для проведения расчетов. Когда речь идет о водных растворах, то одна капля равняется 0,05 миллилитра. А если говорить про спиртовые капли, то её объем значительно уменьшается – до 0,025 миллилитра. Чаще всего единица измерения используется в случаях, когда идет речь про жидкие лекарственные препараты, например, капли для носа.

Материал: Ссылки и источники

С какой скоростью падают капли дождя

Все знают, что «капля камень точит». Но сейчас речь пойдёт о другом: с какой скоростью падает на землю капля дождя?

Все знают, что «капля камень точит». Но сейчас речь пойдёт о другом: с какой скоростью падает на землю капля дождя?

Вискозиметрия методом падающего шарика хорошо подходит для исследования вязких жидкостей. Возьмите бутылку с растительным маслом (р ≈ 1 кг/м 3 ), нанесите на её стенку две риски поближе к дну — отрезок, на длине которого будете измерять предельную скорость. Приготовьте часы с секундной стрелкой и опустите в бутылку маленький стальной шарик (р ≈ 8•103кг/м 3 ). Измерив время его прохождения между рисками и вычислив скорость по приведённой в конце статьи формуле, найдите коэффициент динамической вязкости растительного масла ц. Его величина должна быть примерно 50 Па•с.

Наглядно показать наличие вязкости у воздуха можно при помощи пластиковых бутылок. Подберите две такие бутылки разного размера и обрежьте сверху большую, сделав нечто вроде стакана. Бутылка меньшего диаметра должна входить в этот стакан с небольшим зазором. Вставьте её вниз донышком в стакан и отпустите. Бутылка не упадёт, а медленно и равномерно начнёт опускаться. Это значит, что сила трения в узкой щели d между стенками, возникшая в результате динамической вязкости, равна весу бутылки. Увеличив его небольшим количеством воды, можно заметить, что предельной скорости бутылка достигнет не сразу и скорость эта будет выше. Похожим образом измеряют вязкость по сдвигу параллельных пластин, между которыми помещено исследуемое вещество. Коэффициент динамической вязкости η определяется скоростью движения одной пластинки по отношению к другой под действием силы F: η = Fd/Sv, где d — расстояние между пластинками, S — площадь контакта с ними вещества. В опыте с бутылками можно если не вычислить точно, то по меньшей мере оценить величину μвоздуха( её точное значение 0,02Па•с). Аналогичный опыт предложил Р. Дамианов в книге «Физический эксперимент. Это просто!», изданной в Казани в 2002 году.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Камень, сорвавшийся с высокой горы, падает под действием силы тяжести с ускорением g ≈ 9,8 м/с 2 . Чем выше гора, тем больше скорость v = gt, которую он наберёт, тем больше энергии он приобретёт, тем разрушительнее будет удар о землю. Сравнительно лёгкие градины, выпадающие из тучи с высоты нескольких километров, сбивают листву с кустов и деревьев, способны разбить шиферную крышу и даже помять автомобильный кузов.

последствий их падение не вызывает. Конечно, дождевая капля гораздо легче самой мелкой градины, но всё-таки и она должна бы оставить ощутимый след на земле. Однако и листья остаются целыми, и травм от дождевых капель никто не получает. Их тормозит сопротивление воздуха, которое тем больше, чем выше скорость. Оно определяется коэффициентом динамической вязкости, или просто вязкостью л воздуха, которая хотя и невелика (0,02 Па•с), но всё-таки заметна. Вода имеет гораздо большую вязкость (1,00 Па•с), и зависимость её сопротивления от скорости легко обнаружить. Если опустить в воду ладонь и двигать очень медленно, никакого сопротивления чувствоваться не будет. А быстрое движение потребует значительных усилий — вода сопротивляется.

Силу, которая действует на падающие камни, градины и капли, можно представить в виде F = mg — kv, где mg — вес тела, kv = Fc — сила сопротивления воздуха, причём коэффициент k зависит не только от плотности и вязкости воздуха, но и от размера, массы и формы камня, градины и пр. Уравнение движения падающего тела принимает вид mg — kv = ma. Поэтому его ускорение a будет меньше g, причём, чем меньше масса тела, тем эта разница заметнее: a = (mg — kv)/m. Тело летит с ускорением, пока его вес остаётся больше силы сопротивления воздуха. Как только они сравняются, тело начнёт падать с постоянной скоростью v = mg/k.

Градина, не говоря уже о камне, должна была бы пролететь очень большое расстояние, прежде чем её скорость станет постоянной. Но на такой высоте нет ни туч, ни горных вершин. А вот лёгкая капля дождя, пролетев каких-нибудь десятки метров, начинает падать с постоянной и очень небольшой скоростью. Измерив эту скорость, можно рассчитать силу сопротивления Fc.

Измерение вязкости жидкостей и газов называется вискозиметрией. В

1851 году английский физик Джордж Габриэль Стокс вывел уравнение, определяющее силу сопротивления, которое испытывает шарик, медленно и равномерно падающий в вязкой жидкости: Fc=6πηrv, где π — коэффициент её динамической вязкости, r — радиус шарика, v — его скорость. По формуле Стокса можно найти скорость оседания мелких капелек тумана, частиц ила в воде. Измерив предельную скорость тяжёлого шарика в вязкой жидкости, находят её п. по формуле vпр=2/9r 2 g(p1 — р)/π, где r-радиус шарика, р1 — плотность его материала, р — плотность жидкости, π — коэффициент её динамической вязкости.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *