Ефект Кея

Ефект Кея- явище, характерне для нелінійно в'язких рідин. Дивний эфект поведення струмення в'язко-еластичної рідини помітив британський інженер Артур Кей ще в 1963 році, експериментуючи з сумішю органічних рідин

Зображення ефекту Кея

Характеристика

Для пояснення цього явища, повинні братися до уваги фізичні характеристики рідини. Її в'язкість η, залежить від швидкості зсуву шарів рідини. Чим швидше зміщуються шари, тим нижча в'язкість рідини. Науковці кажуть, що це дивне явище є дуже поширене і регулярно відбувається у повсякденному побутовому житті. Цей ефект сопстерігається з вживанням їжі: від кетчупу до йогурту та інших засобів: фарб, шампунів і рідкого мила. Причину цього ви б не помітили тому, що так званий ефект Кея, як правило, відбувається миттєво. Весь процес, від появи струменя до витікання його з вхідного потоку, як правило, займає близько 300 мілісекунд. Це настільки малий проміжок часу, що людина не бачить його неозброєним оком. Науковці дослідили вплив Kея, використовуючи швидкісну відеокамеру, яка дозволила їм з'ясувати, що відбувається насправді.

Дослід «Тонка фарба»

Це дуже простий експеримент. Ефект відбуваається з будь-якою рідиною, яка відображає поведінку зсуву шарів рідини. Це означає, що рідина тече і її в’язкість зменшується, тобто і струминка стає тоншою. Рідке мило і шампуні володіють цією властивістю. Заливка колонки цих в'язких рідин на поверхні спочатку створює спіральну купу. Але в якийсь момент потік сповзає в бік. Тонкий шар зсуву рідини діє як свого роду мастило між двома колонками, запобігаючи їх від змішування. Потік виникає на поверхні з отвору . Відео зображення дослідників показує вид U-подібного потоку рідини яке йде від поверхні.

Дослід "Тонка фарба"

Визначення швидкості первинного струменя

Для того щоб мати можливість записувати повітряні бульбашки(використовуючи шампунь, або інші мильні засоби) з нашою високошвидкісною камерою, нам потрібно ретельно настроїти освітлення. У 100 кадрів в секунду бульбашки не буде добре видно на високих швидкостях струмення. Таким чином, ми повинні синхронізувати камеру з стробоскопом( прилад, що робить швидко повторювані яскраві світлові імпульси) для для того, щоб отримати різкі знімки при досить високій частоті кадрів. Частота відеозйомки в досліді сягала 500 кадрів в секунду. Для цього досліду вимірювань відстань при якій відбувулася зйомка варіювалася від 1 см до 3,5 см з кроком в половину сантиметра. Відстань до резервуару моє бути визначена точно лінійкою. Загалом, ми записали 120 бульбашок, чий рух х(t) і і були визначені за допомогою програмного забезпечення аналізу відео. Малюнок 5 показує кожен результат наших вимірювань з hс = 3 см.

Малюнок 5

Позиції бульбашок були різними. Ми використовували інтерполяцію( знаходження проміжних значень величини за наявним дискретним набором відомих значень) для кожного вимірювання і визначали середнє значення. Рух бульбашки показано на малюнку 6.

Малюнок 6

Виміряні швидкості показали частоту похибок, близько 5% і вимірювання величини х близько 2 мм. Це може бути добре видно, що швидкість первинного струменя зростає із збільшенням висоти заповнення резервуара(стовбця). Можна також бачити, що шампунь не піддається правилам вільного падіння. У цьому випадку швидкість може бути визначена як Для швидкостей, присутніх під час ефекту викличе частоту похибок до 50%. Це не було взято до уваги.

Визначення швидкості вторинного струмення V2 і довжини контакту L

Для визначення швидкості вторинного струменя і її довжину контакту L ми використовували той же набір заходів, як раніше. Ми записали ефект Кея у 500 кадрів в секунду і вибиради відстань між резервуаром і скляною пластиною. Мінімальна висота була вибрана такою , за якої ми можемо побачити цей ефект. Ефект Кея був записаний кілька разів на відстані 9см -14см з кроком 1 см. Щоб довести обчислення швидкості за допомогою похилої, ми будуємо криву похилої у верхній частині траєкторії вторинного струменя (Малюнок 7).

Малюнок 7

Тим не менш, існує очевидна різниця між двома кривими. Ми пояснили цю поведінку зазначивши, що основний струмінь не прискорюється g, а зменшується. Це означає, що є додаткові пружні сили між молекулами на вторинному струмені, які діють проти сили тяжіння. Таким чином, ми повинні були використовувати наш перший метод для визначення швидкості за допомогою рівняння безперервності, яке дає нам швидкість струменя, якщо відношення масової витрати m і радіус rдругого струмення відомі:

Висновок

Отже ефект Кея це досить інтересний факт в науці світу, який нам дає зрозуміти поведінку певних речовин, при певних умовах і параметрах. За допомогою експерментів добилися успіху в розробці відповідної експериментальної установки і відтворювали певні результати. Ми змінювалися кілька параметрів і досліджували їхній вплив на ефект. Ці виміри привели до якісного пояснення цього явища. Висновок про те, що пружна поведінка є важливим чинником у виникненні ефекту Кея. Крім того, вдалося показати, що основний струмінь поводиться не як тіло у вільному падінні ,а обмежується його поверхневою енергією і пружністю.

Література

• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Донецьк : Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
• http://www.nature.com/news/2006/060403/full/news060403-10.html
• http://skullsinthestars.com/2013/03/29/physics-demonstrations-a-short-discussion-of-the-kaye-effect/
• http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/30/6/S03/meta;jsessionid=A42426C95CC396D4869D5B71600EB777.c4.iopscience.cld.iop.org

Посилання

[1]Шаблон:Відео

[2]Шаблон:Дослід