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《research on the noncoalescing phenomenon between drops and vibrating liquid surfacenew》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、第31卷第6期大學物理Vol．31No．62012年6月COLLEGEPHYSICSJune2012振動誘導液滴與液面不融合現(xiàn)象的研究1車適，陳天然，張志博，趙地，蘇為寧，潘永華，高惠濱(南京大學物理學院，江蘇南京210093)摘要:發(fā)現(xiàn)硅油液滴能夠停留在豎直振動的硅油液面上，通過等厚干涉實驗說明液滴和液面間存在空氣薄膜，分析空氣膜形狀的變化過程，并依此建立簡化模型論述空氣膜阻止液滴與液面融合的原理．實驗構造了浸沒在硅油液面下的硅油液滴，建立理論模型估算空氣膜的平均厚度，并與實驗估測值對比．本文對多個液滴在液面上呼吸模式的振動現(xiàn)象作了描述和解釋．關鍵詞:液滴;液面;豎直振動;
2、不融合;空氣膜+中圖分類號:O552.421文獻標識碼:A文章編號:1000-0712(2012)06-0060-06當兩個同種液體形成的自由液面相互靠近時，由于范德瓦爾斯力和表面能極小化的作用兩液面會融合在一起，然而在某些條件下，同種液體之間會表現(xiàn)出不融合的反常現(xiàn)象．Reynolds在100多年前發(fā)［1］現(xiàn)了這種現(xiàn)象，Rayleigh觀察到兩液滴相碰撞之［2］后會反彈回來，液滴穩(wěn)定地停留在液面上是［3］Walker等人首先用豎直振動的肥皂浴實現(xiàn)的．另［4］［5］［6］外，在水躍附近、熱毛細對流、等溫剪切、摻［7］加表面活性劑等條件下，也都觀察到液滴與液面不融合的現(xiàn)象．［8，
3、9］本文選用甲基硅油作為研究對象，在液面圖1實驗裝置圖豎直振動的條件下，液滴能夠停留在液面上．本文將圍繞這一現(xiàn)象展開討論．硅油液滴很容易停留在液面上，時間通常在分鐘數(shù)量級．而一旦關閉電源停止振動，液滴立即就會融入1液滴停留在液面上液面，這充分說明振動對不融合現(xiàn)象的產(chǎn)生起著至1．1實驗裝置與現(xiàn)象關重要的作用．實驗裝置如圖1所示．實驗在一個有機玻璃制如上所述，同種液體間的不融合現(xiàn)象，與液面的成的圓柱形容器(直徑d=4cm，高h=5cm)中進性質(zhì)，及液滴、液面相互靠近的過程有關．在實驗過行，這是因為有機玻璃材料一般不與液體發(fā)生反應，程中，我們觀察到液滴和液面之間存在空氣薄層，隔而且
4、容器具有良好的對稱性邊界．通過與容器固連絕了液滴和液面的相互接觸，所以液滴才能夠停留在一起的揚聲器(紙盆)施加豎直方向的振動條件，在液面上．激勵信號源輸出正弦信號，電壓范圍是0～33．6V，1．2空氣薄膜的實驗驗證頻率范圍是25～220Hz．容器中盛有甲基硅油(密實驗中觀察到，液滴與液面不融合，液滴邊緣呈33度ρoil=0．96×10kg/m，表面張力系數(shù)σ=20×現(xiàn)異質(zhì)結構，其折射率與液體不同，我們猜想異質(zhì)層－310N/m，黏度μoil=50cst)，注射器從固定高度向是空氣膜，本文運用光學的辦法來檢測空氣薄層的液面上滴加硅油液滴，實驗發(fā)現(xiàn)，只要驅(qū)動頻率不太存在．用鈉光燈作
5、為光源，顯微鏡從上方對準液滴進高(150Hz以下)，驅(qū)動電壓不太低(0．3V以上)，行觀察，我們發(fā)現(xiàn):從液滴下落并停留在液面上時算收稿日期:2010－10－17;修回日期:2012－02－12基金項目:國家基礎科學人才培養(yǎng)基金資助項目(0204G088)，江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目作者簡介:車適(1990—)，男，河南鶴壁人，南京大學物理學院2009級本科生．第6期車適，等:振動誘導液滴與液面不融合現(xiàn)象的研究61起，在之后大概3秒鐘的時間內(nèi)可以清楚地看到類圓盤中間夾著一層空氣薄膜．似于“牛頓環(huán)”的等厚干涉現(xiàn)象，如圖2(a)所示．在2)由于空氣膜很薄，用潤滑理論中的Rey
6、nolds開始不到1秒鐘的時間里，環(huán)形條紋從外向內(nèi)收縮、方程描述空氣膜的流動．越來越密，此后，環(huán)形條紋由內(nèi)向外冒出、越來越少，3)空氣膜的溫度是均勻的，等于環(huán)境溫度T;最后完全消失，環(huán)形干涉條紋是由于液滴和液面之空氣黏度保持不變，并且服從理想氣體狀態(tài)方程．間存在厚度不均勻的空氣膜所導致的，等厚干涉條4)根據(jù)實驗事實，本文認為液滴和液面在豎直紋的變化說明空氣膜的厚度在變化．方向上振動的頻率相同，不妨取液面(甲盤)為參照系，液滴(乙盤)在這個參照系里作豎直方向上的簡諧振動．圖2液滴靠近液面時的形狀變化圖3簡化模型示意圖根據(jù)環(huán)形條紋的變化可以推測出空氣膜形狀的變化過程，如圖2(b)
7、所示．液滴在下落的過程中最在上述假設下，實際問題簡化為兩剛性圓盤間底端空氣的流速最大，相應點的壓強差最大，以致液空氣的擠壓膜問題，如圖3所示．以甲板為柱底建立滴向內(nèi)凹陷;同理，對應的液面部分也往下凹，兩者柱坐標系，甲、乙兩圓盤半徑為R，乙盤是承重盤，其形成類似于“雙凸透鏡”的形狀，如圖2(b)①所示．上負載有液滴重量．乙盤平衡位置為h0，振動角頻隨著液滴與液面越來越近，空氣膜的壓強變大，加劇率為ω;外部大氣壓強為pa，密度為ρa，黏度為μ;vr了液滴底部和液面向內(nèi)凹的程度，如圖2(b)②所和vz表示兩盤
