WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |

Исследование гидродинамических параметров и молекулярного состава длительно существующей водной поверхности

© Фурмаков Е.Ф., 2005

ОАО «Техприбор»

ул. Варшавская д.5а, СанктПетербург, 196084,Россия,

Email: kb_tis@infopro.spb.su

УДК 541.18.537

Продолжены экспериментальные исследования обнаруженного автором эффекта самопроизвольного загустевания свободной поверхности воды. Гидродинамические параметры загустевшей водной поверхности оценивались по характеристикам вращательного движения плавающей индикаторной пластинки. Сравнительный анализ характеристик показал, что, по мере увеличения времени существования водной поверхности, её гидродинамические свойства: динамическая вязкость, продольная и сдвиговая упругости, время релаксации существенно возрастают. Под действием внешней нагрузки загустевшая поверхность может испытывать упругую и пластическую деформации. Предложены модели структуры вязкоупругого приповерхностного слоя воды на основе долгоживущих плоских полимолекулярных кластеров. Показана возможность структурного упорядочения приповерхностного слоя в процессе испарения из него неассоциированных в кластеры одиночных молекул Н2О. Высказано предположение о самоорганизации упорядоченной структуры приповерхностного слоя в результате её стабилизации молекулами НDО, обладающими бoльшей энергией ассоциации по сравнению с молекулами Н2О. При этом дейтерирование приповерхностного слоя производится молекулами тяжелой воды, поступающими из жидкой объемной фазы взамен постепенно испаряющимся в газовую фазу молекулам Н2О. Проведена экспериментальная проверка предположения об организующей и стабилизирующей роли НDО в образовании вязкоупругого слоя жидкости. Результаты спектрометрического анализа образцов загустевшей водной поверхности подтвердили гипотезу дейтерирования: содержание дейтерия в исследованных образцах более, чем на порядок величины, превышает уровень естественного фона этого изотопа в воде, достигая в приповерхностном слое значения 0,200% (против 0,018% в объеме воды).

Furmakov E.F. From further investigations of above mentioned phenomenon of spontaneous free water surface gelling were obtained hydrodynamic properties of jelled water surface, estimated by rotary motion parameters of plate floating on it. Comparative analysis of characteristics showed that hydrodynamic properties of water surface substantially increase with increase of surface lifetime: dynamic viscosity, relaxation time, longitudinal and shear elasticity. With imposed external load the jelled surface may experience resiliency or plastic deformation. Article also includes models of viscoelastic nearsurface layer which are based on longeval junction multilayer clusters. Also showed the ability of structural ordering of nearsurface layer resulting from evaporation into gas phase of single H20 molecules not associated in clusters. Also proposed ideas concerning selforganization of ordered nearsurface layer resulted from it’s stabilization with HDO molecules featuring higher association energy than H2O molecules. Deuteration process is performed by heavy water molecules which appear from liquid bulk phase and gradually replace evaporating into gas state H2O molecules. Experimental investigation of above mentioned stabilization and role of HDO molecules in viscoelastic layer forming was carried out. Results of spectrometric analysis of jelled water surface samples confirmed idea of deuteration: content of deuterium in samples more than 10 times exceeded normal value of that one in water (0,200% in nearsurface layer vs. 0,018% in water).

Количественная оценка параметров вязкоупругости В работе [1], опубликованной в этом же выпуске сборника, мы рассмотрели метод качественного исследования вязкоупругих свойств свободной водной поверхности с помощью свободно плавающих на ней безопорных индикаторных пластинок.

Однако, для количественного исследования гидромеханических параметров поверхности удобнее использовать плавающие индикаторные пластинки, свобода перемещения которых ограничена опорой вращения: поворотные индикаторы вязкоупругих свойств жидкости.



Поворотный индикатор представляет собой плавающую на исследуемой поверхности прямоугольную металлическую пластинку 1 с круглым отверстием 2 в её центре и отогнутыми вверх концами 3 (см. Рис.1). Длина пластинки поворотного индикатора в несколько раз превышает длину свободно плавающей пластинки [1].

Сквозь отверстие, расположенное на расстоянии R от концов индикатора, свободно проходит цилиндрическая ось z, вертикально закрепленная на дне плоского сосуда 4 с залитой в него исследуемой водой 5. Отверстие и ось образуют опору вращения пластинки; зазор между отверстием и осью выбран достаточным для образования в нем кольцеобразного мениска, препятствующего касанию пластинки и оси при вращении. Непосредственно над индикатором, коаксиально его центру, установлена не показанная на рисунке угломерная шкала.

В сочетании с хронометром и динамометрическим щупом поворотный индикатор позволяет получать относительные количественные оценки параметров вращательного движения плавающей пластинки.

Если к одному из концов пластинки с помощью динамометрического щупа, состоящего из нажимного поводка 6, спиральной измерительной пружины 7 и рукоятки 8 (см. Рис.1), кратковременно приложить внешнюю тангенциальную силу F, пластинка повернется вокруг оси z в направлении действия силы на угол a в новое положение 1ў. При заданных величине и времени приложения крутящего момента М = FR угол поворота пластинки зависит только от гидромеханических свойств приповерхностного слоя жидкости.

По мере увеличения времени существования Т водной поверхности её вязкоупругие свойства значительно изменяются, что можно оценить, исследуя реакцию поворотного индикатора на кратковременно приложенную к нему нагрузку.

Поворотный индикатор вязкоупругих свойств водной поверхности Рис. Временнге зависимости параметров вращательного движения пластинки представлены на рисунках Рис.2 – Рис.5 для трех случаев: когда пластинка плавает на свежей водной поверхности (Рис. 2; Т1 Ј То), на относительно устоявшейся поверхности (Рис. 3, Т > То) и на длительно существующей поверхности (Рис. 4 и Рис.5; Т2 >> То); здесь То – время существования водной поверхности, в течение которого она сохраняет свойства классической ньютоновской жидкости.

На графиках приведены согласованные между собой зависимости угла поворота пластинки a(t), её угловой скорости w(t) и момента внешней силы М(t). Выбранное время начала отсчета tо соответствует установившемуся режиму вращения пластинки с постоянной угловой скоростью wо.

В первом случае, когда пластинка находится на свежей поверхности (см. Рис. 2; Т1 Ј То), для её поворота вокруг оси с постоянной угловой скоростью w(t) = wо необходим относительно небольшой постоянный по величине крутящий момент М(t) = Мо.

Вращение поворотного индикатора на свежей водной поверхности Рис. 2. Т1 Ј То В течение всего времени действия t1 – tо постоянного момента Мо пластинка равномерно поворачивается от начального положения до угла a1. Если в какоето мгновение t = t1 снять нагрузку, пластинка продолжит вращательное движение благодаря запасенному в ходе вращения кинетическому моменту L = Izw (здесь Iz – момент инерции пластинки относительно оси z).

Затем, вследствие сопротивления движению, оказываемого силами вязкого трения в приповерхностном слое жидкости, движение пластинки постепенно замедляется, её угловая скорость экспоненциально падает от значения wо до нуля, и, после поворота на угол Da = a2 – a1 в течение времени выбега Dt = t2 – t1, пластинка плавно останавливается.

Второй случай, когда пластинка находится на относительно устоявшейся водной поверхности (Рис.3; Т > То), качественно не отличается от рассмотренного, однако количественные изменения параметров вращательного движения, по сравнению с предыдущим экспериментом, так велики, что создается впечатление, как будто исследуется не вода, а совсем другая, существенно более вязкая жидкость.

Так, например, крутящий момент Мўо возрастает на порядок, а время выбега Dtў = t2 – t1 пластинки уменьшается более, чем на два порядка величины (!) по отношению к значениям тех же параметров для свежей поверхности:





(1).

Вращение поворотного индикатора на устоявшейся водной поверхности Рис. 3. Т > То Угол выбега пластинки Daў = a2 a1 после снятия нагрузки становится настолько малым, что им можно пренебречь по сравнению со значением Da:

Daў << Da.

Еще более существенные изменения свойств водной поверхности наблюдаются в третьем случае, когда Т2 >> То (см. Рис. 4). При этом длительно существующая свободная поверхность воды приобретает, помимо высокой вязкости, ещё и ярко выраженные упругие свойства, присущие только неньютоновским жидкостям.

Так же, как и в предшествующем эксперименте, для воздействия на пластинку требуется существенно больший, чем для свежей поверхности, начальный крутящий момент Мўо. Однако, в этом случае для поддержания постоянной угловой скорости wо по мере поворота пластинки приходиться нелинейно увеличивать момент от начальной величины Мўо до некоторого значения М1 (t1), что свидетельствует не только о наличии постоянной по величине силы сопротивления движению, но и о появлении дополнительной, возрастающей по мере поворота, силы упругого противодействия движению пластинки. Особенно наглядно влияние упругости обнаруживается после прекращения нагрузки: если при t = t1 снять крутящий момент М(t1), пластинка не продолжит вращение, как ранее, а тут же остановится и начнет поворачиваться в обратном направлении, плавно возвращаясь при t = t2 в исходное положение a(t2) = 0.

Упругая деформация длительно существующей водной поверхности Рис.4. Т2 >> То Из этого следует, что по мере увеличения времени существования спокойной водной поверхности её гидромеханические свойства качественно изменяются: вязкость приповерхностного слоя, характеризуемая силами сопротивления движению, резко возрастает, а ранее отсутствовавшие упругие свойства становятся весьма существенными, что наглядно проявляется в способности деформированной поверхности жидкости восстанавливать своё первоначальное состояние в течение определенного времени после снятия нагрузки (времени релаксации системы «пластинкаповерхность» t рел = t2 – t1).

Через 10 – 15 часов после формирования устоявшейся вязкоупругой поверхности её физические свойства окончательно стабилизируются, и соответствующие им параметры h2 и Е2 [1] в дальнейшем не возрастают.

Отметим, что упругая деформация приповерхностного слоя, которую можно наглядно характеризовать способностью принудительно выведенной из равновесного состояния пластинки самопроизвольно возвращаться в исходное положение a = 0, наблюдается только при относительно небольших углах поворота пластинки, меньших некоторого предельного значения aпр:

a Ј aпр (2).

При фиксированных размерах пластинки понятие предельного угла можно использовать как характеристику предела упругости поверхностного слоя жидкости. При Т >> То в нормальных климатических условиях измеренное значение aпр для пластинки размерами 50 х 4 х 0,1 мм не превосходит 10о:

aпр Ј 10о.

На рисунке Рис. 5 представлены результаты эксперимента с поворотным индикатором для случая, когда угол a больше предельного:

a > aпр.

Как видно из графиков, при «запредельном» повороте после снятия нагрузки при t = t2 пластинка резко останавливается, затем начинает поворачиваться в обратном направлении со значительной начальной угловой скоростью w = w2, причем |w2| > wo, и через некоторое время релаксации tўрел = t3 – t2 плавно останавливается, не возвращаясь в исходное состояние, в положении a (t3) = a3, где a3 > 0 (3) угол смещения пластинки, характеризующий пластическую деформацию приповерхностного слоя жидкости, не исчезающую после снятия нагрузки.

Пластическая деформация длительно существующей водной поверхности Рис. 5. Т2 >> То Дополнительная особенность этого эксперимента заключается в том, что после поворота пластинки на предельный угол a 1 = aпр для её дальнейшего вращения с постоянной угловой скоростью wo требуется меньшая, чем ранее, нагрузка, постепенно спадающая до величины М2:

М2(t2) < М1(t1) (4).

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.