微重力環境下蠟燭火焰與油滴沉降的實驗研究

趙浩宇,畢思思,周 愛,劉志海

(哈爾濱工程大學理學院,黑龍江哈爾濱150001)

微重力環境下蠟燭火焰與油滴沉降的實驗研究

趙浩宇,畢思思,周 愛,劉志海

(哈爾濱工程大學理學院,黑龍江哈爾濱150001)

搭建了短時微重力實驗系統,對微重力條件下蠟燭火焰與油滴沉降進行了實驗觀測,幫助學生理解微重力環境下的物理規律與實驗現象.

微重力;蠟燭火焰;油滴

1 引 言

在微重力環境中,許多在地面被地球重力效應所掩蓋的“次級效應”變成了主要物理作用因素,控制了微重力環境下的物理過程,產生了許多奇妙的現象[1].雖然失重、視重等概念在大學普通物理等課程反復提及,但是由于其作用下的一些現象不易被觀測到,因此到目前為止,實用微重力研究主要在航天科學研究的領域內進行.為了使學生深入研究并掌握微重力環境下的現象與規律,我們根據落塔實驗原理,搭建了短時微重力實驗系統,對微重力條件下蠟燭火焰與油滴沉降進行了實驗研究,能夠較明顯地觀察到點燃蠟燭火焰的形狀變化,并且觀測到油滴等液體物質在微重力環境下形狀和速度的變化.

2 微重力實驗裝置及其微重力環境評估

短時微重力系統如圖1所示,該實驗系統可以提供0.6 s的微重力時間.借助于視頻采集系統,能夠實現視頻的同步傳輸與視頻信息的采集,從而可以對所采集的信息進行觀察與分析.

通常,評估模擬微重力環境實驗系統的微重力水平,是從下落時間和微重力度(產生剩余加速度與重力加速度的比值)這兩方面來衡量的.由于實驗系統的設計初衷是構建適合課堂教學的微重力演示實驗系統,所以下落時間比較短.在本實驗系統中,下落時間不作為主要評估條件.因此,計算微重力度成為評估本實驗系統的重要指標.事實上,我們所搭建的實驗系統的剩余加速度 az可由下式估算[2]:

圖1 微重力落塔實驗系統

其中,Cd為落體零攻角阻力系數(零攻角為下落速度方向與最小阻力面垂直),其值取決于落體的外形;ρ為大氣密度;S為落體在垂直于運動方向的平面上的投影面積(最大迎風截面積);m為落體總質量;t為下落時間(假定下落初始時刻初速為0,忽略釋放裝置電磁鐵釋放落體時的影響).實驗中Cd≈0.44,m=2.5 kg,S≈0.041 m2,ρ≈1.293 g/L(標準大氣壓下),g0≈9.80 m/s2,由于有效時間為 0.6 s,則根據每幀的時間間隔1/30 s,得到該系統可以產生平均微重力度為10-3量級的微重力環境[3].相對理想的微重力度10-4量級,短時微重力演示實驗系統與此還是存在一定的差距.

3 蠟燭火焰的實驗演示

3.1 蠟燭火焰的實驗裝置

由于所能提供的微重力環境的時間和有效試驗空間以及檢測設備的限制,從觀察蠟燭火焰在微重力條件下的現象出發,設計了蠟燭火焰的實驗裝置,如圖2所示.

圖2 蠟燭火焰實驗箱

設計實驗裝置需要考慮以下幾個方面:

1)實驗裝置要密封.在實驗裝置的下降過程中,蠟燭火焰形狀容易受到外界干擾的影響,所以密閉性要求很重要.我們制作的火焰實驗箱,正面為透明的有機玻璃,可以觀察蠟燭火焰的變化,并在實驗箱中安裝燭臺起固定蠟燭的作用.在承載箱的右側設計了活窗,方便點燃蠟燭和控制進氧量以調節火焰的大小,關閉窗口可以實現環境密封.

2)采用棉芯直徑小的蠟燭.考慮到攝像機性能的限制,在火焰形狀比較大的情況下,所拍攝的圖像會出現光暈,影響火焰形狀的觀測,所以減小蠟燭芯徑.

3)承載箱的內表面要粘一層漫反射薄板,起到隔熱和光的漫反射作用.

3.2 蠟燭火焰的實驗現象

將制作完畢后的蠟燭實驗箱置于微重力落塔實驗系統中進行演示試驗,實驗現象如圖3所示,該圖片是相對微重力開始時刻0.466 s的實驗現象.通過對蠟燭燃燒實驗現象的觀察,重力與微重力環境中火焰形狀之間有著明顯不同.常重環境下蠟燭的火焰形狀均呈狹窄錐柱形,而微重力環境下蠟燭火焰呈半球圓冠狀;常重下火焰柱狀直徑小于微重力下火焰球狀直徑,它們的平均直徑比約為1∶2;如圖4所示,常重下火焰長度大于微重力下的火焰長度,比為3∶1.所拍攝的實驗效果與圖5[4]相比較,可以說明微重力時間再長一些火焰將呈球形趨勢.

圖3 常重力和短時(0.6 s)微重力落塔中拍攝的現象

圖4 蠟燭火焰的長度隨時間變化曲線

圖5 常重力和微重力時間相對較長的落塔中拍攝現象

3.3 蠟燭火焰的實驗現象分析

蠟燭是固態碳氫化臺物,熔點約為60℃,其被點燃與火焰的形成取決于火源的能量、燃料的熱分解速率、氧化反應速率及熱傳遞狀況等因素.對燃燒產生影響的因素有對流、擴散、熱傳導,重力場中存在浮力、對流對燃燒產生重要影響[5].

蠟燭的“淚狀”火焰是熱量造成氣流上升所致,是由空氣流和燃氣流共同控制的.蠟燭周圍被加熱的空氣和未燃盡的煙灰將向上流動,附近未被加熱的空氣將向下流動,空氣流在蠟燭火焰周圍平穩流動,并將它聚攏成一點.尤其是這樣一個事實:熱空氣的密度比冷空氣的低,因此火焰會向上升.但在微重力狀態下,低密度的熱氣體不會上升,密封時這種“對流”的效應就不再發揮作用了,粒子從高溫區向低溫區擴散等其他過程占據了支配地位.蠟燭燃燒所需的氧氣不能“上下”對流,而只能從火焰的周圍幾乎均等地獲取;蠟燭燃燒產生的熾熱氣體也不再向“上”流動而是受到熱膨脹效應的影響幾乎均勻地從中心向周圍擴大,火焰的形狀擴大更像球形.所以在落塔實驗中,實驗箱中的蠟燭火焰形狀由于受到熱膨脹效應及擴散作用的影響而呈圓形的趨勢[6].

4 油滴沉降的實驗演示

4.1 油滴沉降的實驗裝置

在實驗過程中,仍然采用如圖1所示的短時微重力實驗系統,設計了配套的油滴沉降實驗裝置,如圖6所示.油滴實驗裝置是一個裝著不同密度且互不相溶的2種液體的密封容器,在重力條件下,密度大的深色液體會在密度小的透明液體中發生沉降現象.由于漏口的作用,油滴會一個個的向下滴落.在設計中,油滴實驗裝置安放在實驗箱中,實驗箱正面為透明有機玻璃窗,以方便觀察;在實驗箱中有背光照明,可以保證足夠曝光增強CCD圖像采集效果;實驗箱與油滴裝置之間填充有柔軟緩沖物質,用來保護油滴裝置,且對照明光起漫反射作用,以避免照明光直射圖像采集裝置影響采集的圖像的質量.

圖6 油滴沉降實驗箱

4.2 油滴沉降的實驗現象

使用短時微重力實驗系統和油滴沉降實驗箱進行實驗,觀察到的現象如圖7所示.圖7(a)為常重力狀態下油滴的降落情況,油滴裝置中上部深色液體液面除了邊角明顯為一個平面,且油滴形狀為橢球形.圖7(b)為在微重力環境下的油滴降落情況,與圖7(a)明顯不同,油滴裝置中上部深色液體明顯的隆起成拱形,油滴形狀也變化成球形.

圖7 油滴沉降實驗箱在常重力情況下和微重力情況下的實驗現象

為了了解油滴的運動規律,對運動過程中的某一個油滴進行跟蹤拍攝,并對從重力到微重力情況下的多幅圖像進行二值處理,如圖8所示,其中每一幅圖像間隔的時間為1/30 s.利用M atlab軟件采集每一幅圖像油滴中心到圖像頂部的像素行數,即油滴下落高度,可以得到位移和速度曲線如圖9所示.

圖8 下落過程油滴二值處理圖像

圖9 油滴時間-位移、與時間-速度曲線

由曲線我們可以看出,在重力情況下,油滴幾乎勻速下落,在微重力情況下,油滴速度迅速減小到接近為0,油滴幾乎保持靜止.對此可以做出如下的定性分析.在重力情況下,每一個下落的油滴受到重力、浮力和透明液體的黏滯阻力的作用,對于每一個小的油滴,有重力 m g0,浮力(暫認為油滴為球形,ρ為透明液體的密度,r為油滴半徑),黏滯阻力6πμrv,三力平衡,即

所以在重力情況下,油滴勻速下落.而在微重力條件下,由于表觀重力加速度 g減小,重力減小,浮力也減小,此時的速度v還很大,即

從而黏滯阻力起主要作用,阻止液滴繼續下落,雖然黏滯阻力因為速度減小也在減小,但是大于另外2個力的合力,最后合力再次為零.對于很小的v可以認為速度為零,所以在下落箱下落過程中,很快沉降現象消失,可觀察到油滴幾乎靜止的現象.

不僅油滴的下落高度受重力影響,油滴的形狀也與重力有關.對某一個下降的油滴進行圖像二值處理,得到如圖10所示的圖像.同時,某一油滴的左右長軸和上下短軸的變化情況圖像(只考慮正對平面)如圖11所示.

由圖11可以看出,除了油滴剛好產生時,長、短軸大小幾乎相等外,在重力情況下,長軸長度明顯長于短軸長度.而在微重力情況下,長軸縮短,短軸變長,最終兩者幾乎相等,不完全相等的原因主要是因為油滴即使在微重力情況下,還是具有微小速度.在重力情況下,油滴受到浮力和黏滯阻力的作用,油滴受力成橢球形.而在微重力情況下,g減小,浮力幾乎消失,由于速度減小,黏滯阻力也減小.這時表面張力的作用成為主要作用,油滴界面的分子與內部的分子所受力不同.在內部的分子受到周圍分子作用力合力為零,但在表面的分子受力卻不為零.因外界透明液體對它的吸引力小于內部液體分子對它的吸引力,所以該分子所受合力不等于零,其合力方向垂直指向液體內部,結果導致液體表面具有自動縮小的趨勢,所以油滴在表面張力的作用下會有變為球形的趨勢.同時圖7(b)中上部深色液體隆起的現象,也是表面張力起了主要作用,這也正是微重力自約束成型效應的原理體現.

圖10 油滴在常重力情況下和微重力情況下的二值處理圖像

圖11 油滴長短軸變化

4.3 油滴沉降實驗現象分析

在液體沉降實驗中,由于短時微重力實驗系統自身的封閉性,在油滴裝置下落末段會受到一定的空氣阻力.所以所采集到的球體形狀不可能每次都很規整,且速度減小為零的點也不是特定的時間點,所以不同實驗可能有不同的實驗數據,但是整個變化趨勢是不變的,即相對運動速度會趨近于零且油滴形狀會向球形變化.通過實驗表明,近似自由落體是微重力環境產生的條件,并且在微重力環境下,由于重力加速度 g的表觀值變小,重力幾乎消失,使得跟 g值有關的如浮力值ρgv等物理量減小甚至消失,從而導致物體輕重沉浮消失,而平時被重力現象掩蓋的“次級效應”如表面張力、黏滯阻力、斥力、摩擦力等可能會變成控制物理過程的主要因素.

5 結束語

短時微重力系統能夠較好的對一些微重力現象進行可視化觀測,通過將短時微重力系統引入大學物理實驗教學中,不僅可以在該系統中開展蠟燭火焰和油滴沉降的演示實驗,還可以設計并開展更多的微重力實驗演示研究.一方面能夠使大學物理實驗教學內容不斷豐富,形成特色,開闊學生的視野;另一方面,更有助于激發學生對新事物的好奇心,使學生認識和發現新的規律和總結新的定律.

[1]張登宏.微重力環境及應用[J].大學物理,1998,17(10):40-42.

[2]夏益霖.微重力落塔試驗技術及其應用(Ⅰ)[J].強度與環境,1995,(2):22-31.

[3]畢思思,苑立波.微重力實驗中的光電信息與處理[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009.

[4]Giant crystals and spherical flames:science inmicrogrsavity [EB/OL]. http://www.new scientist.com/gallery/dn17734-space-station-science/2.

[5]杜文鋒,張孝謙,韋明罡,等.微重力環境中的蠟燭火焰[J].工程熱物理學報,2000,21(4):515-519.

[6]劉春輝,蔡澤,陳天翼.微重力燃燒試驗設備與燃燒火焰觀察[J].導彈與航天運載技術,1996,(4):41-46.

[責任編輯:郭 偉]

Study of candle flame and oil drop sedimentation under condition of m icrogravity

ZHAO Hao-yu,B ISi-si,ZHOU Ai,L IU Zhi-hai
(School of Science,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

In order to observe thewonderful phenomenon,a short-term microgravity experimental system was built.The shape of burning candle flame and the speed and shape of the oil drops were clearly observed affected by microgravity,w hich could help students to understand the physical concep ts better and summarize the rules of physics corresponding to microgravity.

microgravity;candle flame;oil drop

V 476.54

A

1005-4642(2011)03-0033-05

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-06-18;修改日期:2010-09-03

2010年度哈爾濱工程大學實驗教學改革與實驗技術研究立項支持(No.SYJG20101102)

趙浩宇(1987-),男,四川巴中人,哈爾濱工程大學理學院碩士研究生,研究方向為光纖傳感技術.