Рассмотрим цилиндр, частично заполненный жидкостью (например, водой). Цилиндр герметизируют и выдерживают при комнатной температуре (например, 298К). В состоянии равновесия (или когда на систему не воздействует внешнее возмущение) жидкость в цилиндре находится в равновесии со своим паром при давлении пара жидкости, применимом при комнатной температуре.
Предположим, что дно цилиндра снабжено поршнем. Обратите внимание, что система все еще герметична. Теперь представьте, что поршень движется вверх. Столб жидкости движется вверх, объем, занимаемый паром, уменьшается, но пар все еще существует при давлении пара жидкости (при условии, что термодинамическое равновесие может быть достигнуто достаточно быстро).
Что интересно, так это когда поршень движется вниз. Если поршень движется с малой скоростью, столб жидкости должен оставаться «поверх» поршня (без «зазора» между столбом и поршнем). Теперь, если поршень движется вниз достаточно быстро (или когда нисходящее ускорение достаточно велико), столб жидкости должен «покинуть» поршень, и между поршнем и столбом жидкости должен образоваться «пакет» пара. (Пожалуйста, опровергните предыдущее утверждение, если вы считаете, что оно неверно.) Почему? если «трение» между стенками цилиндра и столбом жидкости пренебрежимо мало, а столб жидкости уже находится в состоянии свободного падения, то уже нет механизма «тянуть» его вниз дальше.
Теперь представьте, что поршень снова движется вверх. Тогда столб жидкости должен «столкнуться» с поршнем. Будет ли он «прилипать» к поршню, как при неупругом ударе, или отскакивать, как при упругом ударе?
PS Немного подумав, я думаю, что это совсем не простой вопрос. Теперь, будет ли жидкость «отскакивать» (а не «выплескиваться», что подразумевает, что жидкость меняет форму), зависит от того, как импульс передается от поршня к столбу жидкости. Пожалуйста, обратитесь к видео на YouTube для «трюка с пивной бутылкой». Если образовавшаяся на дне полость представляет собой «вакуум», что, вероятно, так и есть, то при «ударе» жидкости атмосферное давление будет давить на столб жидкости, и, скорее всего, он не «оттолкнется». С другой стороны, если образовавшаяся полость заполнена газом, то кинетическая энергия жидкости (которая пытается «отбить» стеклянную бутылку) может рассеиваться в газ (в исходной полости, заполненной газом). , за счет образования множества крошечных кавитаций (утверждение: последнее утверждение необоснованно, я просто предполагаю). Пока удар "затухает", отдачи не будет.
На самом деле есть много способов, которыми жидкость может рассеивать энергию, потому что она бесформенна/бесформенна, и на картинке присутствует вязкость. Чем более «гибок» он к рассеянию энергии, тем меньше вероятность его отдачи.
Ваш вопрос несколько более «общий», чем подразумевается. Вы, по сути, говорите о кавитации (или очень близки к тому, чтобы говорить об этом). Кавитация не требует, чтобы порции жидкости двигались вниз. На самом деле, в Интернете есть фотографии, показывающие конструкцию гребного винта корабля, где инженеры не учитывали падение давления на выходной стороне гребного винта. Если давление падает ниже давления пара жидкости, жидкость «кипит» за очень короткий промежуток времени, а когда давление существенно возрастает, связанные с ней маленькие пузырьки пара мгновенно схлопываются. Когда происходит коллапс, температура пузырька пара резко возрастает, и образуется очень маленькая ударная волна. Если это разрушение произойдет на металлической поверхности, ударная волна удалит маленькие кусочки металла.
Если вам интересно, насколько высокой может быть температура пузырьков, есть эксперименты, в которых ультразвук используется для преднамеренного создания кавитации в объемных жидкостях. Когда пузырьки схлопываются, температура становится достаточно высокой, чтобы излучать очень слабую вспышку света, и этот процесс называется сонолюминесценцией. Измерения показывают, что температура, вызывающая эту небольшую вспышку света, выше, чем температура на поверхности Солнца, поэтому, хотя процесс внутри одного из этих пузырей чрезвычайно мал, он также чрезвычайно бурен.
Из-за гравитационных сил ваша жидкость находится внизу обеих фаз.
Градиент давления из-за этих сил существует в обеих фазах; давление увеличивается линейно через жидкость бота с прерывистым линейным изменением на границе раздела жидкость/газ.
Поэтому, если вы нажмете на поршень, увеличив объем, вы измените точку равновесия и, таким образом, уменьшите равновесное давление. Единственный способ создать дополнительный объем газа — это кавитация жидкости, которая может возникнуть только в точке минимального давления жидкости, т. е. на границе раздела жидкость/газ. Поэтому я думаю, что вы не можете на самом деле создать какой-то «зазор» между поршнем и жидкостью, поскольку скорость вашего поршня ниже скорости звука (информация о давлении будет быстрее, чем поршень, и поэтому создаст испарение на интерфейс для балансировки изменения громкости).
Если ваш поршень движется быстрее скорости звука над жидкой водой (правда?), я думаю, вы действительно можете создать локальное расширение и, таким образом, пузырьки на дне жидкости. Эту нестационарную эволюцию, безусловно, очень трудно смоделировать.
Карл Виттофт
Джейми
Джейми