Are picatura de ploaie, cind cade spre sol, frecare cu aerul?

Question

Vreau sa stiu daca apa in general in cadere de la mare inaltime are frecare cu aerul. Si daca are ce se intimpla cu ea? Se deformeaza, se schimba ca structura,se incalzeste cind prinde viteza si se freaca de aer?Va rog respectuos ,sa-mi dati raspuns clar si logic ,asa cum o faceti mereu aici pe sitel asta! Va multumesc!

Answer 1

here ya go:

 

http://home2.fvcc.edu/~dhicketh/DiffEqns/Spring11projects/Ben_Lynch_Gavin_Lommatsch/DiffEqProject/DiffEqProjectGavinBen.pdf

Answer 2

Da, picăturile de apă întîmpină rezistența aerului în cădere. Nici nu e nevoie să cadă de la foarte mare înălțime: după numai cîteva zeci de metri picătura atinge practic o viteză constantă, la care frecarea cu aerul devine egală în mărime cu greutatea, încît accelerația picăturii devine zero.

Forma picăturii se schimbă, dar, contrar imaginii pe care o au oamenii, picătura nu se alungește pe verticală, ci se aplatizează în partea de jos, încît seamănă cu o chiflă.

Picăturile mici și cele mari se comportă diferit:

- Picăturile mici se deformează mai puțin, pentru că tensiunea superficială contează mai mult. Picăturile microscopice rămîn practic sferice (și creează de exemplu un curcubeu cu culori vii, dovadă a sfericității). În schimb picăturile foarte mari se deformează atît de mult încît se sparg în picături mai mici.

- Viteza terminală, adică acea viteză constantă la care ajung picăturile și n-o mai depășesc, depinde și ea de mărimea picăturii. Picăturile mici au o viteză terminală mai mică. Cele microscopice au o viteză atît de mică încît par să stea pe loc, așa cum se întîmplă cu picăturile din nori sau din ceață. Picăturile mari ating circa 10 m/s. De ce apare diferența asta între vitezele terminale? Pentru că rezistența aerului depinde de aria secțiunii transversale a picăturii (și secundar de formă), în timp ce greutatea picăturii depinde de volum. Astfel, dacă o picătură are diametrul dublu față de alta, suferă o rezistență din partea aerului de 4 ori mai mare (neglijînd efectul formei), dar are o greutate de 8 ori mai mare. Asta înseamnă la picăturile mai mari rezistența aerului contează mai puțin în raport cu greutatea.

- Picăturile mici ajung mai repede la viteza terminală, pentru că aceasta e mai mică. De exemplu o picătură de 1 mm ajunge la viteză constantă în numai circa 1 secundă, în timp ce una mare de 10 mm are nevoie de vreo 5 s. Se poate calcula relativ ușor cum variază viteza picăturii în timp, dar numai aproximativ, considerînd că picătura își păstrează forma sferică tot timpul și că forța de rezistență din partea aerului este proporțională cu pătratul vitezei (sau cu viteza, sau cu altă putere a vitezei). În schimb calculele precise sînt mai complicate, pentru că trebuie să țină cont de deformarea picăturii și de curgerea aerului pe lîngă picătură.

În urma frecării cu aerul picătura se încălzește, dar numai foarte puțin, pentru că tot contactul cu aerul menține picătura la o temperatură apropiată de a aerului (nu se produce fenomenul încălzirii puternice care apare la intrarea unui obiect cosmic în atmosferă). Apa de la suprafața picăturii se evaporă puțin cîte puțin, mai ales dacă aerul are o umiditate mică (ceea ce duce la o răcire a picăturii). Pe măsură ce se evaporă și picătura devine tot mai mică, viteza ei scade, pînă cînd la o picătură foarte mică viteza e și ea foarte mică. Înainte de a dispărea de tot, viteza picăturii este zero.

Comments

Multumesc, foarte clar asa cum mi-am dorit ! Sigur ca acum se nasc  alte intrebari si mai interesante.Dar,lucrurile de baza acum se stiu si asa din aproape in aproape mergem mai departe in cautarea adevarului. Prin urmare: daca picatura se evapora si in cele din urma dispare,cum se face ca ea ajunge totusi intacta pe pamant???Inseamna ca ea nu sufera transformare in caderea ei spre pamant, decit daca avem de-a face cu temperaturi scazute, transformind-o in fulgi de nea ( cristale).Deci,frecarea ei cu aerul ( temperatura ridicata) n-o transforma deloc ,ajun gind pe pamint intacta ( ceea ce cu totii vedem si simtim).Pai daca ea e atit de miraculoasa incit se poate apara in caderea ei cu frecarea aerului ceea ce cu niciun corp din univers nu se intimpla,(toate sunt distruse si mistuite de flacari),atunci noi ca niste fiite inteligente ce suntem ar trebui sa ne gindim mai mult cum ar putea picatura ,apa ,sa ne protejeze in calatoriile noastre de viitor prin spatiu interplanetar si stelar fara gravitatie si spatiul din 'nauntru unui corp ceresc (planeta sau stea) cu gravitatie.Daca peretii picaturii sunt atit de rezistenti la frecarea cu aerul inseamna ca ea poate sa se apere nu numai pe ea dar si citeva alte corpuri straine din 'nauntru ei.Dar nu stim mai departe ce se intimpla cu ea si peretii ei la atingerea , la izbitura ei cu scoarta pamantului sau cu un alt corp solid ????Ramane oare intacta sau peretii ei sunt zdrobiti de izbitura si deci si eventuale alte corpuri din 'nauntru ei vor fi ucise, distruse !!!???Dar ea poate sa fie foarte elastica si sa ramina intacta. Ceea ce vedem noi cu ochii nostrii e ca ea se izbeste de scoarta pamintului sub forma de ploaie si impreuna cu alte miliarde de picaturi foarmeaza ''baltoace de apa'' peste tot ,mai mici ,mai mari. Asta inseamna ca ea si ''suratele''ei nu sunt distruse ele exista incontinuare impreuna  sub forma de apa. Si asa putem sa mergem cu imaginatia mai departe , fara sfirsit !

---

V-ați ambalat. :-) Nu toate picăturile de ploaie ajung pînă la sol. Noi le vedem pe cele care ajung, iar pe cele care s-au evaporat pe parcurs nu le mai vedem. Le putem însă detecta urmele în faptul că umiditatea aerului a crescut.

Încălzirea picăturilor dată de frecarea cu aerul este minoră, neglijabilă, pentru că picătura e răcită de aerul prin care trece și de faptul că o parte din masa ei se evaporă. Evaporarea se face cu pierdere de căldură, deci picătura e chiar ceva mai rece decît mediul.

Apoi amintiți-vă că vorbim aici de viteze de cîțiva metri pe secundă, pînă pe la 10 m/s. Asta înseamnă pînă pe la 36 km/h. Pentru comparație Usain Bolt cînd aleargă în proba de 100 m atinge viteze de peste 40 km/h, ca să vă faceți o idee cît de încet cad picăturile de ploaie. Iar picăturile mici cad și mai încet. Astfel de viteze sînt infime în comparație cu vitezele la care intră meteoriții în atmosferă, viteze care pot ajunge și la 70 km pe secundă, adică vreo 250000 km/h. Observați? De aproape 10000 mai rapid decît picăturile de ploaie. La asemenea viteze uriașe se produc fenomene calitativ noi, și anume încălzirea puternică a aerului (pînă la peste 1000°C) prin simpla comprimare. Nu vă faceți iluzii că apa ar putea rezista la o asemenea temperatură, darămite să mai și protejeze ceva aflat în interior.

Apa o fi ea miraculoasă, dar nici chiar așa.

---

Suna frumos ''V-ati ambalat'' ! Dar e atit de bine uneori sa te ambalezi ! Ai impresia ( cind te ambalezi), ca mai ai putin si prinzi tot adevarul de coada despre univers ! In orice caz e o forma de manifestare pozitiva. Multumesc,in orice caz!

Answer 3

Picăturile de ploaie se formează deasupra nivelului de condens, nivel care este variabil in functie de umiditatea si temperatura maselor de aer.

In momentul formarii lor picăturile au dimensiuni atomice si forma sferică si pe masura ce cresc se aplatizeaza la baza datorită frecarii cu aerul si se alungeste in partea superioară ca un ou luând o forma aerodinamică pe masura ce-i creste viteza pana la viteza de echilibru. Datorită frecarii cu aerul se încălzesc putin astfel uneori se evapora din nou depinde si de umiditatea si temperatura mediului înconjurator deasupra nivelului de condens picăturile nu se evapora dar pe masura ce coboară se pot evapora complet si vaporii de apa sunt antrenați din nou de masele de aer.

Prin mișcarea maselor de aer picăturile se unesc devenind din ce in ce mai mari.

De obicei picăturile de ploaie condensează pe particule de praf deci in interiorul unei picături exista mereu înglobat  un grăunte de praf.

In cazul formarii picăturilor de ploaie in interiorul unui nor Cumulonimbus spre exemplu inițial mărimile fizice ale masei de aer care trece in ascensiune prin nivelul de condens suferă niste transformări de temperatura, presiune si viteza.

Ca sa înțelegeți procesul trebuie sa începem cu începutul.

Totul pleacă de la soare. Soarele încălzește diferit fiecare din zonele de teren pe care reușește sa le ilumineze. Energia Fotonilor absorbită de sol in functie de albedou parțial se transforma in caldura.

Solul încălzește masele de aer din mediul înconjurator astfel vom avea diferite mase de aer cu umidității si presiuni diferite. Acelasi lucru se întâmpla si cu cu suprafețele acoperite de apa. Masele de aer mai calde si implicit cu presiuni mai mici sunt antrenate pe verticala de diferențele de presiune. Astfel vom avea mase de aer ascendente care au o anumită umiditate si mase de aer descendente. Aceste mase de aer in momentul in care ajung la nivelul de condens in momentul in care vaporii de apa  condensează eliberează si energia calorică absorbită la trecerea din stare lichida in stare gazoasă pe care au absorbito inițial din sol. Astfel la nivelul de condens masele de aer se încălzesc apa trece din stare gazoasă in stare lichida. Incalzinduse masele de aer isi măresc volumul si le scade presiunea, accelerand-uși mișcarea ascendenta. In acest moment se formează norii.

Apa trecând in stare lichida isi micșorează volumul si începe mișcarea sa descendenta de obicei intr- un curent de aer in ascensiune. 

In urcare picăturile de apa acumulează energie potențiala. Cum picăturile sunt inca foarte mici si au mișcarea de cădere mai mică decat masele de aer ele sunt antrenate pe verticala. In interiorul unui nor Cumulonimbus vitezele maselor de aer pe verticala pot ajunge chiar si la 30m/s Din momentul in care picăturile sau format incep aventura lor datorită gravitației in căderea lor continua apare forța de rezistența la înaintate si se încarca electrostatic. Astfel apar in nori diferențe de potențial electrostatic si implicit fulgerele.

Pe masura ce cad mereu picăturile de apa se ciocnesc una cu alta si cresc in volum, cele mai mari inglobandule pe cele mai mici. Daca masele de aer circumstante ajung la temperaturi negative picăturile de apa trec automat si ele in stare solida si astfel apare grindina sau zapada.

De obicei masele de aer se răcesc in medie cu circa un grad la fiecare suta de metri pe masura ce urca. Deci trecerea in stare solida daca de exemplu la sol avem 20 de grade la altitudinea de 2000 de metri vom avea circa 0 grade.

In momentul in care picătura devine solida creste in volum si automat mai ușoară astfel scade viteza sa de cădere picăturile de apa in stare solida sau cristale de zapada continua sa crească in interiorul norului pana cand acestea cad de obicei la marginea norilor prin curenții descendenți si asa ajung din nou pe pamant unde se încheie aventura picăturilor de ploaie.