Эффект Кайе

Условие задачи
Если тонкой струйкой выливать шампунь на поверхность, неожиданно появляется другая струйка, исходящая из объема вылитого шампуня. Этот эффект длится меньше секунды, но повторяется. Исследуйте феномен и дайте ему объяснение.
When a thin stream of shampoo is poured onto a surface, a small stream of liquid occasionally leaps out. This effect lasts less than a second but occurs repeatedly. Investigate this phenomenon and give an explanation.

Цель работы
Пронаблюдать и исследовать
эффект Кайе

Этапы исследования:
Изучение теории неньютоновских жидкостей.
Конструирование установки для создания эффекта.
Наблюдение эффекта и установление зависимостей.
Интерпретация полученных результатов.

Этап 1
Изучение теории
неньютоновских жидкостей
Неньютоновскими жидкостями называют неоднородные жидкости, состоящие из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.
При течении неньютоновских жидкостей вязкость зависит от градиента скорости и увеличивается при уменьшении скорости тока жидкости.
Примерами неньютоновских жидкостей являются кровь, многие виды шампуней, лаки, краски.

Механизм отскока
При вертикальном падении струи жидкости может возникнуть “бугорок” из-за вязкости этой жидкости.
Отскакивающая
струйка
Падающая струйка
Бугорок
Этап 1

Наши наблюдения
Вследствие того, что струя жидкости может не попасть точно в центр полученного “бугорка”, мы будем наблюдать падение жидкости на наклонную плоскость, которое будет сопровождаться кратковременным проявлением эффекта.
При движении струи вдоль поверхности жидкости или при движении самого сосуда с жидкостью проявление эффекта будет четче и будет уже не таким кратковременным.
Этап 1

Этап 2
Конструирование установки
для создания эффекта
Оборудование:
Неньютоновская жидкость на примере “Ферри”;
Вращающийся диск;
Прозрачный плоскодонный стеклянный сосуд;
Установка для получения тонкой, вертикальнопадающей струи, состоящая из 150мл шприца поднятого на некоторую высоту, закрепленного на штативе, тонкой резиновой трубки и крана, закрепленного на меньшей высоте;
Линейка.

Этап 3
Наблюдение эффекта
и установление зависимостей
Эффект Кайе возникает не сразу, а только при достижении некоторой угловой скорости сосуда и вертикальной скорости падения струи.

Наблюдение эффекта
Если сосуду или струе сообщить большую скорость, то мы получим более четкое проявление эффекта.
Этап 3

График зависимости длины отскока струи от угловой скорости сосуда при постоянной скорости падения струи
- угловая скорость сосуда
R=2мм – радиус отверстия в шприце
h=11,6 см – высота падения струйки
V=10 мл – объём жидкости в шприце
t=53 c – время выхода жидкости из шприца
Этап 3

График зависимости длины отскока струи от скорости падения струи при постоянной угловой скорости сосуда с жидкостью
- скорость падения струйки с высоты h
- скорость, приобретаемая струйкой при выходе из шприца
- скорость, приобретаемая в процессе падения
Этап 3

Этап 4
Интерпретация полученных данных
При погружении в жидкость струйка увлекает за собой воздух рис.1.
При недостаточной угловой скорости и скорости падения струйки воздух собирается в отдельные пузырьки, которые всплывают на поверхность, в следствие чего струя сливается с жидкостью сосуда и мы не наблюдаем эффекта рис.2.
рис.1
рис.2

Интерпретация полученных данных
При достаточной угловой скорости и скорости падения жидкости струйка увлекает за собой большее количество воздуха, которое отделяет ее снизу и не дает сливаться с жидкостью сосуда, что приводит к проявлению эффекта рис.3.
рис.3
Этап 4

Вывод
В ходе проведения исследования мы разработали установку для наблюдения эффекта Кайе.
Выявили зависимость длины отскока струйки от угловой скорости сосуда и скорости падения струи.
Подтвердили гипотезу причин возникновения эффекта.