毕思思 赵浩宇 郭金华 苑立波

(1哈尔滨工程大学理学院,黑龙江哈尔滨 150001)

(2哈尔滨工业美术设计学校,黑龙江哈尔滨 150059)

微重力环境下液体表面张力的实验观察与研究

毕思思1赵浩宇1郭金华2苑立波1

(1哈尔滨工程大学理学院,黑龙江哈尔滨 150001)

(2哈尔滨工业美术设计学校,黑龙江哈尔滨 150059)

在微重力环境中,重力的作用几乎消失,液体的表面张力起主导作用,微重力下液体的流动特性和平衡界面也会产生显著变化.为了使学生们能更真切、更直观地观察到微重力下的奇妙现象,我们搭建了短时微重力系统并开展了一些实验演示与观测研究.通过微重力系统模拟微重力环境,可以清楚地观察到液体表面的变化,更有助于同学们深入了解微重力下的物理规律和实验现象,对于激发同学们认识和发现新的规律和总结新的定律具有重要意义.

微重力;表面张力;落塔实验系统;物理实验

1 引言

随着空间技术的发展,微重力科学的应用研究越来越受到空间技术强国的重视,并显示出了广阔的应用前景.在微重力环境中,地球的重力作用几乎不存在,重力平衡要求的压力梯度等地面常见的现象都几乎消失[1],液体的表面张力起主导作用.比如,被地面上静压力所掩盖,只有在小尺度情况下(如毛细管中)才能看到的表面张力驱动流体的流动现象以及容器内角处的液体平衡界面的爬升现象等.正是这些在微重力环境中与地面上明显不同的特性,使得空间流体管理成为载人航天和空间探索中广泛存在的重大工程应用技术之一[2].由于相关的报告和研究成果都发表在航天领域,为了学生深入研究并掌握微重力环境下的现象与规律,我们搭建了适于教学的物理演示实验系统,并设计了若干创新实验模块,可以清楚地观察到液体表面在微重力环境下奇妙的现象并解释了其产生的原因.

2 液体表面张力的实验演示

2.1 微重力环境产生机理及微重力实验装置

在任何一个非惯性系中,物体的惯性力与所在天体对它的引力近似平衡,使得其剩余加速度a(惯性加速度与引力加速度之差)远小于地面处重力加速度 g0,就称该物体处于微重力作用状态.重力是物体受到的行星或其他天体的引力.在地球附近,重力通常指地球的引力

式中,G为万有引力常数;R为地球半径;h为距离地球表面的高度.所以距离地球表面 h处的重力加速度g和地球表面的重力加速度g0的比为

通常g/g0的值即作为判定微重力水平的标准.当比值大于1时,称为超重力状态,当等于1时,称为重力状态,当小于10-4时称为微重力状态.如果a=g0,则物体事实上在作自由落体运动,压力 F(或张力 T)为零,由于空气阻力的影响,所以存在剩余加速度,但非常小,因此称为微重力.微重力实验装置就是利用该原理模拟出微重力环境的.

在我们搭建的短时微重力系统中(如图1所示),该实验系统可以提供0.6s的微重力时间,并借助于视频采集系统,实现了视频的同步传输与视频信息的采集,从而对所采集的信息可以进行观察与分析.

图1 微重力落塔实验系统

通常,我们评估模拟微重力环境的实验系统的微重力水平,是从下落时间和微重力度(产生剩余加速度与重力加速度的比值)来衡量的.由于实验系统的设计初衷是构建短时微重力演示实验系统,所以下落时间比较短,在本实验系统中不作为主要评估条件,则计算微重力度成为评估本实验系统的重要指标.由文献[3]可知,可以根据下式估算该实验系统的剩余加速度az

其中,Cd为落体零攻角阻力系数(零攻角为下落速度方向与最小阻力面垂直),其值取决于落体的气动外形;ρ为大气密度;S为落体在垂直于运动方向的平面上的投影面积(最大迎风截面积);m为试验箱的总质量;t为下落时间.(假定下落初始时刻的初速为零,忽略电磁铁释放试验箱时的影响)在该实验系统中得 Cd≈0.44,m=2.5kg,S≈0.041m2,ρ≈1.293g/L(标准大气压下),g0≈9.80m/s2,由于有效时间为0.6s,则根据每帧的时间间隔1/30s,得到该系统可以产生平均微重力度为0.0059的微重力环境[3].相对理想的微重力度是0.0001,存在一个数量级的误差.

2.2 液体表面张力的实验装置

由于所能提供的微重力环境的时间和有效试验空间以及检测设备的限制,所以从明显观察液体表面张力在微重力条件下的现象出发,设计了实验装置[4],如图2所示.

图2 液体表面张力实验箱

为了比较明显地观察到液体攀爬现象,

(1)将模块设计成劈尖状;

(2)注入浓度较大的液体;

(3)密封.防止液体飞溅;

(4)内置照明设备,有助于采集效果明显.

2.3 液体表面张力的实验现象的演示

将制作完毕的液体表面张力实验箱在我们所搭建的短时微重力落塔进行试验,得到了以下实验现象,如图3所示.

图3 液体表面张力实验现象

图3(a)是在常重力下劈尖型容器中液体的界面形貌,中心的液面是平的,但在尖角处的液面由于表面张力作用形成了向上弯曲的凹形弯月面.图3(b),该图片是相对微重力开始时刻0.433s的实验现象.在进入微重力环境中,重力水平突然降低,液体静压力几乎消失,内角处形成了毛细力驱动的细长柱形流,液体将沿尖角处爬升、重新分布.

3 液体表面张力实验现象分析

液体表面张力是液体和与液体接触的气体之间的界面的一个特性.它的产生是由于液体表面的液体分子仅受到与其一边相邻的液体分子的力的作用,而液体内部的液体分子则受到各个方向的力的作用.因此,表面的分子受到一个垂直于表面并指向液体内部的净力作用.在常重力下,液体受到静压力作用,在尖角处液面弯曲的半径与压强成反比,从而形成了压强梯度.

微重力下,实验容器的尖角处弯月面尖端的高度随时间的变化,如图4所示,可以看出 t=0.1s为界可以分为两个阶段:当0＜t＜0.1s时,为第一阶段;当t＞0.1s时,为第二阶段;第一阶段是重力作用突然消失后液面的重定位阶段,液体的惯性力占主要地位,液面变化比较明显.而且在第一阶段的内,弯月面顶端的爬升速度又经历先增大后减小的过程,速度增大过程是惯性力完全占主要地位,速度减小的过程说明了惯性力和粘性力共同起作用,并且惯性力作用逐渐减弱,粘性力作用逐渐增强.第二阶段是粘性力占主要作用的“稳定”(不是说速度恒定不变)的毛细驱动爬升过程.

图4 劈尖型容器的尖角处弯月面尖端的高度随时间的变化图像

4 讨论

对于液体表面张力实验,通过图片分析确定的两阶段的时间分界点t=0.1s是在特定的容器尺寸以蓝色溶液(组分并不完全确定)为介质的条件下得到的实验结果,此时间分界点不一定是固定不变的,它可能会由于容器尺寸或者实验介质不同,将得到不同的实验值.

5 结语

微重力流体科学也是微重力科学重要的科学分支,正是液体这些在微重力环境中与常重下明显不同的特性,对空间流体(液体和气体)的贮存、控制以及传输都提出了新的挑战,它不仅推动了流体力学新的学科体系的发展同时也在载人航天工程中有重大应用.学生们通过自己搭建的短时微重力系统和自己设计的创新实验模块进行验证,将不仅有助于锻炼同学们的创新思维和动手创造能力,同时也激发学生们创造出更多的试验模块,观察到更多的奇妙现象,总结更多新的规律.

[1] 陆原,张世杰,文正祥.微重力物理学[J].物理通报,1996,(3):1～3

[2] 侯瑞,段俐,胡良,康琦.微重力下容器圆形倒角处的毛细驱动流[J].实验流体力学,2008,22(2):74～83

[3] 夏益霖.微重力落塔试验技术及其应用(Ⅰ)[J].强度与环境,1995,(2):22～31

[4] 毕思思.微重力实验中的光电信息与处理 [D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,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)

毕思思(1985年出生),女,黑龙江省牡丹江人,哈尔滨工程大学理学院硕士研究生;苑立波,教授,本文的指导教师.