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《research on the noncoalescing phenomenon between drops and vibrating liquid surfacenew》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、第31卷第6期大學(xué)物理Vol．31No．62012年6月COLLEGEPHYSICSJune2012振動(dòng)誘導(dǎo)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(xué)物理學(xué)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(dòng)的硅油液面上，通過等厚干涉實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)化模型論述空氣膜阻止液滴與液面融合的原理．實(shí)驗(yàn)構(gòu)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(shí)驗(yàn)估測(cè)值對(duì)比．本文對(duì)多個(gè)液滴在液面上呼吸模式的振動(dòng)現(xiàn)象作了描述和解釋．關(guān)鍵詞:液滴;液面;豎直振動(dòng);
2、不融合;空氣膜+中圖分類號(hào):O552.421文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-0712(2012)06-0060-06當(dāng)兩個(gè)同種液體形成的自由液面相互靠近時(shí)，由于范德瓦爾斯力和表面能極小化的作用兩液面會(huì)融合在一起，然而在某些條件下，同種液體之間會(huì)表現(xiàn)出不融合的反?，F(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(huì)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(dòng)的肥皂浴實(shí)現(xiàn)的．另［4］［5］［6］外，在水躍附近、熱毛細(xì)對(duì)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(duì)象，在液面圖1實(shí)驗(yàn)裝置圖豎直振動(dòng)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(shí)間通常在分鐘數(shù)量級(jí)．而一旦關(guān)閉電源停止振動(dòng)，液滴立即就會(huì)融入1液滴停留在液面上液面，這充分說明振動(dòng)對(duì)不融合現(xiàn)象的產(chǎn)生起著至1．1實(shí)驗(yàn)裝置與現(xiàn)象關(guān)重要的作用．實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示．實(shí)驗(yàn)在一個(gè)有機(jī)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(yuǎn)=5cm)中進(jìn)性質(zhì)，及液滴、液面相互靠近的過程有關(guān)．在實(shí)驗(yàn)過行，這是因?yàn)橛袡C(jī)玻璃材料一般不與液體發(fā)生反應(yīng)，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(duì)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(yáng)聲器(紙盆)施加豎直方向的振動(dòng)條件，在液面上．激勵(lì)信號(hào)源輸出正弦信號(hào)，電壓范圍是0～33．6V，1．2空氣薄膜的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證頻率范圍是25～220Hz．容器中盛有甲基硅油(密實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)，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(yùn)用光學(xué)的辦法來檢測(cè)空氣薄層的液面上滴加硅油液滴，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要驅(qū)動(dòng)頻率不太存在．用鈉光燈作
5、為光源，顯微鏡從上方對(duì)準(zhǔn)液滴進(jìn)高(150Hz以下)，驅(qū)動(dòng)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(shí)算收稿日期:2010－10－17;修回日期:2012－02－12基金項(xiàng)目:國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(0204G088)，江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介:車適(1990—)，男，河南鶴壁人，南京大學(xué)物理學(xué)院2009級(jí)本科生．第6期車適，等:振動(dòng)誘導(dǎo)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(shí)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(rùn)滑理論中的Rey
6、nolds開始不到1秒鐘的時(shí)間里，環(huán)形條紋從外向內(nèi)收縮、方程描述空氣膜的流動(dòng)．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(dǎo)致的，等厚干涉條4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，本文認(rèn)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(dòng)的頻率相同，不妨取液面(甲盤)為參照系，液滴(乙盤)在這個(gè)參照系里作豎直方向上的簡(jiǎn)諧振動(dòng)．圖2液滴靠近液面時(shí)的形狀變化圖3簡(jiǎn)化模型示意圖根據(jù)環(huán)形條紋的變化可以推測(cè)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(shè)下，實(shí)際問題簡(jiǎn)化為兩剛性圓盤間底端空氣的流速最大，相應(yīng)點(diǎn)的壓強(qiáng)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(duì)應(yīng)的液面部分也往下凹，兩者柱坐標(biāo)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(fù)載有液滴重量．乙盤平衡位置為h0，振動(dòng)角頻隨著液滴與液面越來越近，空氣膜的壓強(qiáng)變大，加劇率為ω;外部大氣壓強(qiáng)為pa，密度為ρa(bǔ)，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
