Missuguse kujuga on pöörlev veetilk? Ümmargune? Lapergune? Ehk midagi veel kummalisemat?
Nii lihtsana näivale küsimusele pühendatud artikkel avaldati eile ajakirja Physical Review Letters veergudel. Autorid põhjendavad töö olulisust veetilka vormivate jõudude sarnasusega nendele, mis määravad hoopis raskemini uuritavate objektide, aatomituumade ja pöörlevate taevakehade, kuju. Artiklis kirjeldatud katsed on aga põnevad ka veidi kunstlikuna näivate paralleelide otsimiseta tuuma- ja astrofüüsikaga, iseäranis seetõttu, et vajalikud teadmised tehtu mõistmiseks saab juba keskkooli füüsikatunnist.
Pöörleva veetilga kuju määravad temale mõjuv tsentrifugaaljõud, mis tilka laiali rebib, ja pindpinevusjõud, mis hoiab tilka koos. Oma osa on loomulikult ka gravitatsioonil, kuid selle mõju püütakse vältida. Raskusjõu tasakaalustamiseks on mitu võimalust: teha katse orbiidil kaaluta olekus, vaadelda vabalt langevat ja samas pöörlevat veetilka, panna tilk endaga ühetihedusse, kuid segunematusse vedelikku või sundida ta muul moel
 |
| Magnetväljas hõljuva veetilga paneb pöörlema oran¸iga tähistatud elektroodidele rakendatav pinge. Pilt: APS Physics |
hõljuma. Kõigil neil viisidel on oma puudused: katse orbiidile viia on kulukas, vabalt langeva tilga puhul on piiratud vaatlemise aeg ja teises vedelikus hõljuvale tilgale mõjub tugev hõõrdejõud. Artikli autorid kasutasid vee hõljuma sundimiseks hoopistükkis magnetit. Vesi on diamagnetiline aine ja liigub võimalusel nõrgema magnetväljaga piirkonda. See efekt on küllaltki nõrk ja seetõttu tuli kasutada väga tugevat ülijuhtmagnetit (B≈12T). Nii saadi kuni mõnesentimeetrise läbimõõduga veetilgad hõljuma. Jäi veel küsimus, kuidas hõljuv tilk pöörlema panna. Selle küsimuse lahendasid katse tegijad väga leidlikult. Veele lisati veidi keedusoola, et see elektrit juhiks, ja hõljuvasse tilka pisteti kaks peenikest kullast elektroodi; üks tilga keskmesse ja teine veidi eemale. Kui elektroodid pingestati, kulges nende vahel naatriumi ja kloori ioonide kantud elektrivool. Samal ajal läbis tilka tugev vertikaalsihis magnetväli. Liikuvatele ioonidele mõjuv Lorentzi jõud kandus põrgetel üle vee molekulidele ja sundiski tilga pöörlema. Voolu tugevust reguleerides sai muuta tilga pöörlemiskiirust ja jälgida tema erinevaid kujusid. Arvutustega kooskõlas nähti ka katses hantlit meenutavat vormi ja vastupidiselt ootustele ka ebastabiilseks arvatud kolmelehelist ristikheina meenutava ristlõikega kuju suuremal kiirusel. Ilmnes, et tilga kuju stabiliseeris sel juhul elektroodist tulenev pinnalainetus, mille kolm lainepikkust katsid parasjagu tilga ümbermõõdu. Veelgi suurematel kiirustel nähti ka ruutu ja viisnurka meenutava kujuga tilka. Lisateavet ja hulga videosalvestusi katsetest võib leida artiklile lisatud materjalide hulgast [netserver.aip.org].
Allikad:
1. Phys. Rev. Lett. 101, 234501 (2008): Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and Spinning Water Droplet
2. Physics 1, 38 (2008): The many shapes of spinning drops
Toimetas Erik Randla