Почему капля воды при падении издает звук? И откуда именно он исходит?
Вероятно, любой человек знает, как могут раздражать звуки капающей воды из неплотно закрытого крана — особенно в ночной тишине, когда так хочется спать. Но что делает эти звуки такими громкими, и как именно они рождаются? Чтобы ответить на этот вопрос, физикам потребовались довольно непростые эксперименты. О том, как была разгадана тайна звука капающей воды.
Столкновение капель воды с поверхностью жидкости — довольно сложный процесс. Сначала при падении капли на поверхности образуется воздушный карман, иногда сопровождаемый формированием жидкой пленки и некоторого количества брызг. После этого воздушная воронка постепенно схлопывается, а образовавшийся при этом пузырь газа продолжает свое движение в жидкости. Количество брызг, размер и форма образующихся воздушных полостей в течение этого процесса зависят, в первую очередь, от вязкости, скорости и количества падающих капель. Американские ученые даже ввели для определения формы образующихся воздушных пузырьков новый безразмерный параметр — «число матрешки» (отношение времени схлопывания воздушной полости к частоте падения капель на поверхность).
Капля при падении производит характерный звонкий капающий звук. Определить источник этого звука физики пытаются уже практически целый век, однако большинство работ на эту тему были теоретическими и подкреплялись лишь грубыми экспериментальными наблюдениями. С достаточной точностью провести эксперимент ученым удалось совсем недавно благодаря появлению высокоскоростной записи видео и звука.
Британские физики под руководством Питера Джордана решили не только посмотреть на то, что происходит с каплями при столкновении с поверхностью, но и внимательно послушать сопровождающие это столкновение звуки. Ученые использовали два типа микрофонов — надводный и подводный, а изменение формы поверхности снимали с нескольких разных ракурсов с частотой 30 тысяч кадров в секунду. Капля диаметром 4 миллиметра падала на водную поверхность со скоростью 1,29 метра в секунду, в результате чего на поверхности формировалась газовая полость, от которой затем отрывался небольшой пузырек воздуха и продолжал двигаться вниз.
Оказалось, что звучать эта система начинала ровно в тот момент, когда происходил отрыв пузырька воздуха от водной поверхности. После этого звук продолжался в течение нескольких миллисекунд и постепенно затухал, когда пузырек отдалялся от поверхности на достаточное расстояние, а форма его поверхности практически переставала колебаться.
Наблюдения подтвердили гипотезу, что источник звука при падении капли - резонансное колебание поверхности газового пузырька, образовавшегося в жидкости. Данные о частоте звукового сигнала, записанного с помощью обоих микрофонов, ученые сравнили с данными теоретической модели. Несмотря на качественное согласие экспериментальных данных с теоретическими, отличия оказались довольно заметными и в некоторых случаях достигали 40 процентов.
По словам ученых, это отличие связано с неучтенным взаимодействием между колебаниями поверхности пузырька и колебаниями поверхности полости непосредственно над ним. Если раньше считалось, что источником звуковой волны служат только колебания поверхности пузырька, волна от которых распространяется сквозь воду и попадает в воздух через невозмущенную межфазную поверхность вода-воздух, то сейчас ученые предложили похожий, но немного отличный механизм. Когда пузырек только образовался, колебания его поверхности вызывают колебания той же частоты на поверхности воздушной полости, от которой он оторвался. Это происходит в результате потоков несжимаемой жидкости в тонком зазоре между двумя поверхностями. Как только пузырек отдаляется на достаточное расстояния, передача колебаний прекращается.
Схема системы и возникающих в ней колебаний нескольких межфазных поверхностей
S. Phillips et al./ Scientific Reports, 2018