Форма дождевых капель

16:05 31.05.2019

Наверняка многие задумывались о том, какую форму принимает капля воды во время свободного падения из облака на землю. И если спросить любого человека, то он скорее всего скажет, что это форма, похожая на «слезинку». Но так ли это? Давайте разберёмся более подробно в этом вопросе.

Форма дождевых капель.

Форма дождевой капли — форма капли дождя, которую она принимает в свободном полете из облака до поверхности Земли. Мелкие капли до 2 мм близки к сфере, более крупные приобретают приплюснутую снизу форму «булочки для гамбургера», а при их увеличении до 5 мм капля нестабильна и происходит ее преобразование в вогнутую форму раскрытого парашюта или другие формы, после чего она распадается на множество мелких брызг. Теперь разберем более подробно:

Итак, выпадение капель происходит, когда маленькие капли воды в облаке сливаются в более крупные (процесс коагуляции), и не в состоянии уже противостоять гравитации, устремляются к земной поверхности. Дождевые капли имеют размеры в пределах от 0,1 до 6-7 мм — средний диаметр, при превышении которого они, как правило, распадаются. Капли менее 0,1 мм являются облачными и имеют идеально сферическую форму.

Мелкие капли до 2 мм чаще всего близки по форме к сфере (например, выпадение мороси), более крупные приобретают приплюснутую снизу форму «булочки для гамбургера», а при их увеличении до 5 мм капля нестабильна и происходит ее преобразование в вогнутую форму раскрытого парашюта или другие формы, после чего она распадается на множество мелких брызг.

Типы дождевых капель: A — несуществующий тип капель (форма капли под предметом перед падением) B — капли размером менее 2 мм (почти круглые) C — капли от 2 до 5 мм (сплющенная форма из-за трения о воздух) D — капли больше 5 мм, из-за потока воздуха разделяются на меньшие капли E — процесс деления крупной капли на несколько.

Форма капли зависит от ее размера: для маленьких капель сила поверхностного натяжения делает форму более сферической, тогда как с увеличением размера капли под действием встречного воздушного потока ее форма приобретает все более приплюснутую форму.

Поток воздуха, действующий на каплю.

Встречный поток воздуха создает внизу капли область высокого давления, а выше нее — область низкого давления, что деформирует каплю в плоскую или вогнутую (см. рисунок выше, справа).

На фото приведены фотографии падающих дождевых капель с диаметрами: а — 6 мм при скорости 8,8 м/сек; б — 4,8 мм при скорости 8,3 м/сек; в — 2,8 мм, при скорости 6,8 м/сек.

Ниже показана анимация обтекания частицы потоком (Mach=2/Re=50 «Kidney-shape»):Самые большие капли дождя на Земле были зафиксированы в Бразилии и на Маршалловых островах в 2004 году — некоторые из них достигали диаметра 10 мм. Их большой размер объясняется формированием конденсата на крупных частицах дыма или столкновением между каплями при большой их концентрации в воздухе. Кроме этого, наиболее крупные капли чаще всего формируются в процессе таяния градин.

Французские ученые Эммануэль Вильермо и Бенджамин Босса в июле 2009 г. опубликовали в журнале Nature Physics исследование разрушения крупных капель под действием встречного потока. По словам исследователя, каждая капля распадается индивидуально и независимо от их соседей на пути к земле. Таким образом, дождевая капля в процессе распада может приобрести форму раскрытого парашюта:

Фрагментация одной капли определяет распределение дождевых капель по размерам.

На следующей фотографии показаны три различных вида последовательности распада капель с интервалами между кадрами 2 миллисекунды, полученные другими исследователями (Barros, Ana P., Olivier P. Prat, Prabhakar Shrestha, Firat Y. Testik, Larry F. Bliven, 2008). (а) волокнистый (filament), (b) потоковый (sheet) и (c) дисковый распад капли:

Три различных вида последовательности распада капель с интервалами между кадрами 2 миллисекунды. (а) волокнистый (filament), (b) потоковый (sheet) и (c) дисковый распад капли

Что касается скорости падения, то для дождевых капель диаметром 0,5 мм на уровне моря и без ветра она составляет от 2 до 6,6 метров в секунду, в то время как капли диаметром 5 мм и более имеют скорость от 9 до 30 метров в секунду. Причём зависимость скорости падения от размера капли не является линейной (см. на графике):

Скорость падения капель (по оси Y) от её размера (по оси X)

Первые исследования формы дождевых капель относятся ещё к концу 1800-х гг. Немецкий ученый Филипп Ленард исследовал форму дождевых капель с 1898 г., а в 1904 г. опубликовал итоговую статью. Для изучения скорости капель он соорудил вертикальный воздушный туннель, где можно было управлять скоростью встречного воздушного потока. Он впервые сообщил, что форма капли отличается от стереотипной «слезинки» и сферична для капель примерно до 2 мм и деформируется в виде плоского дна и закругленной вершины, подобно булочке для гамбургера при увеличении капли, а при размерах свыше 5.5 мм капли нестабильны и распадаются.

Следите за погодой и климатом вместе с нами!

С Уважением, Маглипогода!

Информация, которая размещается на сайте не считается официальной. 
На всех страницах функционирует система уведомления правописания. Обнаружив ошибку или неточность в тексте, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.

Подпишитесь на рассылку по электронной почте