Αλληλεπίδραση πίπτοντος αντικειμένου με ελεύθερη επιφάνεια υγρού

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζουμε την αλληλεπίδραση σφαιρικού αντικειμένου σε ελεύθερη πτώση με αρχικά αδιατάραχτη επιφάνεια νερού. Το ενδιαφέρον επικεντρώνεται τόσο στις δυνάμεις αλληλεπίδρασης σώματος-νερού (που καθορίζουν την εξέλιξη της ταχύτητας του αντικειμένου), όσο και στις δομές που αναπτύσσονται στην επιφάνεια του νερού. Το πείραμα εκτελείται σε απλή ιδιοσυσκευή και τα πρωτογενή δεδομένα είναι αλληλουχία εικόνων που λαμβάνονται με χρήση ψηφιακής κάμερας υψηλής ταχύτητας. Η επεξεργασία των εικόνων παρέχει πληροφορίες τόσο για τα χαρακτηριστικά των δομών της ελεύθερης επιφάνειας όσο και για την ακριβή κίνηση της σφαίρας. Ταυτοποιούνται τρία στάδια εξέλιξης της ελεύθερης επιφάνειας που περιλαμβάνουν (ΐ) αρχική διαβροχή της εισερχόμενης σφαίρας από υμένα υγρού και σχηματισμό πρόδρομου πίδακα, (ϋ) υπερακόντιση υγρού πάνω από τη σφαίρα και σχηματισμό του κύριου πίδακα και (ϋί) τριχοειδή διάσπαση του κύριου πίδακα με αποκόλληση σταγόνων. Εξετάζεται η επίδραση της διαμέτρου της σφαίρας και του ύψους ρίψης, και διαπιστώνεται ότι η πρώτη επηρεάζει όλα τα μεγέθη (διάμετρο και ύψος πίδακα, μέγεθος αποκολλούμενων σταγόνων, χρόνο σχηματισμού πίδακα) ενώ το δεύτερο επηρεάζει ισχυρά το ύψος του κύριου πίδακα. Τέλος, εξετάζεται η κίνηση της σφαίρας στο νερό και συγκρίνεται με κίνηση ανάλογης αρχικής ταχύτητας σε νερό χωρίς ελεύθερη επιφάνεια.