微重力環(huán)境下液體表面張力的實(shí)驗(yàn)觀察與研究

畢思思 趙浩宇 郭金華 苑立波

(1哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001)

(2哈爾濱工業(yè)美術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)校,黑龍江哈爾濱 150059)

微重力環(huán)境下液體表面張力的實(shí)驗(yàn)觀察與研究

畢思思1趙浩宇1郭金華2苑立波1

(1哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001)

(2哈爾濱工業(yè)美術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)校,黑龍江哈爾濱 150059)

在微重力環(huán)境中,重力的作用幾乎消失,液體的表面張力起主導(dǎo)作用,微重力下液體的流動(dòng)特性和平衡界面也會(huì)產(chǎn)生顯著變化.為了使學(xué)生們能更真切、更直觀地觀察到微重力下的奇妙現(xiàn)象,我們搭建了短時(shí)微重力系統(tǒng)并開展了一些實(shí)驗(yàn)演示與觀測(cè)研究.通過微重力系統(tǒng)模擬微重力環(huán)境,可以清楚地觀察到液體表面的變化,更有助于同學(xué)們深入了解微重力下的物理規(guī)律和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,對(duì)于激發(fā)同學(xué)們認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律和總結(jié)新的定律具有重要意義.

微重力;表面張力;落塔實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);物理實(shí)驗(yàn)

1 引言

隨著空間技術(shù)的發(fā)展,微重力科學(xué)的應(yīng)用研究越來(lái)越受到空間技術(shù)強(qiáng)國(guó)的重視,并顯示出了廣闊的應(yīng)用前景.在微重力環(huán)境中,地球的重力作用幾乎不存在,重力平衡要求的壓力梯度等地面常見的現(xiàn)象都幾乎消失[1],液體的表面張力起主導(dǎo)作用.比如,被地面上靜壓力所掩蓋,只有在小尺度情況下(如毛細(xì)管中)才能看到的表面張力驅(qū)動(dòng)流體的流動(dòng)現(xiàn)象以及容器內(nèi)角處的液體平衡界面的爬升現(xiàn)象等.正是這些在微重力環(huán)境中與地面上明顯不同的特性,使得空間流體管理成為載人航天和空間探索中廣泛存在的重大工程應(yīng)用技術(shù)之一[2].由于相關(guān)的報(bào)告和研究成果都發(fā)表在航天領(lǐng)域,為了學(xué)生深入研究并掌握微重力環(huán)境下的現(xiàn)象與規(guī)律,我們搭建了適于教學(xué)的物理演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并設(shè)計(jì)了若干創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K,可以清楚地觀察到液體表面在微重力環(huán)境下奇妙的現(xiàn)象并解釋了其產(chǎn)生的原因.

2 液體表面張力的實(shí)驗(yàn)演示

2.1 微重力環(huán)境產(chǎn)生機(jī)理及微重力實(shí)驗(yàn)裝置

在任何一個(gè)非慣性系中,物體的慣性力與所在天體對(duì)它的引力近似平衡,使得其剩余加速度a(慣性加速度與引力加速度之差)遠(yuǎn)小于地面處重力加速度 g0,就稱該物體處于微重力作用狀態(tài).重力是物體受到的行星或其他天體的引力.在地球附近,重力通常指地球的引力

式中,G為萬(wàn)有引力常數(shù);R為地球半徑;h為距離地球表面的高度.所以距離地球表面 h處的重力加速度g和地球表面的重力加速度g0的比為

通常g/g0的值即作為判定微重力水平的標(biāo)準(zhǔn).當(dāng)比值大于1時(shí),稱為超重力狀態(tài),當(dāng)?shù)扔?時(shí),稱為重力狀態(tài),當(dāng)小于10-4時(shí)稱為微重力狀態(tài).如果a=g0,則物體事實(shí)上在作自由落體運(yùn)動(dòng),壓力 F(或張力 T)為零,由于空氣阻力的影響,所以存在剩余加速度,但非常小,因此稱為微重力.微重力實(shí)驗(yàn)裝置就是利用該原理模擬出微重力環(huán)境的.

在我們搭建的短時(shí)微重力系統(tǒng)中(如圖1所示),該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以提供0.6s的微重力時(shí)間,并借助于視頻采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了視頻的同步傳輸與視頻信息的采集,從而對(duì)所采集的信息可以進(jìn)行觀察與分析.

圖1 微重力落塔實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

通常,我們?cè)u(píng)估模擬微重力環(huán)境的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的微重力水平,是從下落時(shí)間和微重力度(產(chǎn)生剩余加速度與重力加速度的比值)來(lái)衡量的.由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是構(gòu)建短時(shí)微重力演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),所以下落時(shí)間比較短,在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中不作為主要評(píng)估條件,則計(jì)算微重力度成為評(píng)估本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要指標(biāo).由文獻(xiàn)[3]可知,可以根據(jù)下式估算該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的剩余加速度az

其中,Cd為落體零攻角阻力系數(shù)(零攻角為下落速度方向與最小阻力面垂直),其值取決于落體的氣動(dòng)外形;ρ為大氣密度;S為落體在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的平面上的投影面積(最大迎風(fēng)截面積);m為試驗(yàn)箱的總質(zhì)量;t為下落時(shí)間.(假定下落初始時(shí)刻的初速為零,忽略電磁鐵釋放試驗(yàn)箱時(shí)的影響)在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中得 Cd≈0.44,m=2.5kg,S≈0.041m2,ρ≈1.293g/L(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下),g0≈9.80m/s2,由于有效時(shí)間為0.6s,則根據(jù)每幀的時(shí)間間隔1/30s,得到該系統(tǒng)可以產(chǎn)生平均微重力度為0.0059的微重力環(huán)境[3].相對(duì)理想的微重力度是0.0001,存在一個(gè)數(shù)量級(jí)的誤差.

2.2 液體表面張力的實(shí)驗(yàn)裝置

由于所能提供的微重力環(huán)境的時(shí)間和有效試驗(yàn)空間以及檢測(cè)設(shè)備的限制,所以從明顯觀察液體表面張力在微重力條件下的現(xiàn)象出發(fā),設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置[4],如圖2所示.

圖2 液體表面張力實(shí)驗(yàn)箱

為了比較明顯地觀察到液體攀爬現(xiàn)象,

(1)將模塊設(shè)計(jì)成劈尖狀;

(2)注入濃度較大的液體;

(3)密封.防止液體飛濺;

(4)內(nèi)置照明設(shè)備,有助于采集效果明顯.

2.3 液體表面張力的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示

將制作完畢的液體表面張力實(shí)驗(yàn)箱在我們所搭建的短時(shí)微重力落塔進(jìn)行試驗(yàn),得到了以下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,如圖3所示.

圖3 液體表面張力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖3(a)是在常重力下劈尖型容器中液體的界面形貌,中心的液面是平的,但在尖角處的液面由于表面張力作用形成了向上彎曲的凹形彎月面.圖3(b),該圖片是相對(duì)微重力開始時(shí)刻0.433s的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.在進(jìn)入微重力環(huán)境中,重力水平突然降低,液體靜壓力幾乎消失,內(nèi)角處形成了毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的細(xì)長(zhǎng)柱形流,液體將沿尖角處爬升、重新分布.

3 液體表面張力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

液體表面張力是液體和與液體接觸的氣體之間的界面的一個(gè)特性.它的產(chǎn)生是由于液體表面的液體分子僅受到與其一邊相鄰的液體分子的力的作用,而液體內(nèi)部的液體分子則受到各個(gè)方向的力的作用.因此,表面的分子受到一個(gè)垂直于表面并指向液體內(nèi)部的凈力作用.在常重力下,液體受到靜壓力作用,在尖角處液面彎曲的半徑與壓強(qiáng)成反比,從而形成了壓強(qiáng)梯度.

微重力下,實(shí)驗(yàn)容器的尖角處彎月面尖端的高度隨時(shí)間的變化,如圖4所示,可以看出 t=0.1s為界可以分為兩個(gè)階段:當(dāng)0＜t＜0.1s時(shí),為第一階段;當(dāng)t＞0.1s時(shí),為第二階段;第一階段是重力作用突然消失后液面的重定位階段,液體的慣性力占主要地位,液面變化比較明顯.而且在第一階段的內(nèi),彎月面頂端的爬升速度又經(jīng)歷先增大后減小的過程,速度增大過程是慣性力完全占主要地位,速度減小的過程說明了慣性力和粘性力共同起作用,并且慣性力作用逐漸減弱,粘性力作用逐漸增強(qiáng).第二階段是粘性力占主要作用的“穩(wěn)定”(不是說速度恒定不變)的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)爬升過程.

圖4 劈尖型容器的尖角處彎月面尖端的高度隨時(shí)間的變化圖像

4 討論

對(duì)于液體表面張力實(shí)驗(yàn),通過圖片分析確定的兩階段的時(shí)間分界點(diǎn)t=0.1s是在特定的容器尺寸以藍(lán)色溶液(組分并不完全確定)為介質(zhì)的條件下得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,此時(shí)間分界點(diǎn)不一定是固定不變的,它可能會(huì)由于容器尺寸或者實(shí)驗(yàn)介質(zhì)不同,將得到不同的實(shí)驗(yàn)值.

5 結(jié)語(yǔ)

微重力流體科學(xué)也是微重力科學(xué)重要的科學(xué)分支,正是液體這些在微重力環(huán)境中與常重下明顯不同的特性,對(duì)空間流體(液體和氣體)的貯存、控制以及傳輸都提出了新的挑戰(zhàn),它不僅推動(dòng)了流體力學(xué)新的學(xué)科體系的發(fā)展同時(shí)也在載人航天工程中有重大應(yīng)用.學(xué)生們通過自己搭建的短時(shí)微重力系統(tǒng)和自己設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行驗(yàn)證,將不僅有助于鍛煉同學(xué)們的創(chuàng)新思維和動(dòng)手創(chuàng)造能力,同時(shí)也激發(fā)學(xué)生們創(chuàng)造出更多的試驗(yàn)?zāi)K,觀察到更多的奇妙現(xiàn)象,總結(jié)更多新的規(guī)律.

[1] 陸原,張世杰,文正祥.微重力物理學(xué)[J].物理通報(bào),1996,(3):1～3

[2] 侯瑞,段俐,胡良,康琦.微重力下容器圓形倒角處的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)流[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2008,22(2):74～83

[3] 夏益霖.微重力落塔試驗(yàn)技術(shù)及其應(yīng)用(Ⅰ)[J].強(qiáng)度與環(huán)境,1995,(2):22～31

[4] 畢思思.微重力實(shí)驗(yàn)中的光電信息與處理 [D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009

OBSERVATION AND RESEACHON THE EXPERIMENT OF LIQUID SURFACE TENSION UNDER MICROGRAVITY CONDITION

Bi Sisi1Zhao Haoyu1Guo Jinhua2Yuan Libo1
(1College of Science,Harbin Engineering University,Harbin,Heilongjiang 150001)
(2School of Harbin Industry Graphic Design,Harbin,Heilongjiang 150059)

Under microgravity condition,the force of gravity almost disappeared,and the liquid surface tension played a leading role.Both fluid characteristics and balancing interface also have significantly changed.In order to let students observe the wonderful phenomenon more closely and visually under microgravity condition,we have built a short-term microgravity experimental system and carried out some experiments and observational research.Through the microgravity environment simulated by the microgravity system,it could be more clearly to observe the change of liquid surface,which resulted in better comprehension of the students in physical laws and experimental phenomenon.It had significance to motivate the students to discover new physical laws and summarize new rules.

microgravity;surface tension;drop-tower system;physical experiment

2009-12-08;

2010-04-18)

畢思思(1985年出生),女,黑龍江省牡丹江人,哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院碩士研究生;苑立波,教授,本文的指導(dǎo)教師.