XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Вода в полёте: что заставляет струю падающей воды разделяться на капли

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ковров А.П. 1

---

1КОГОАУ КФМЛ

Соболева А.А. 1

---

1КОГОАУ КФМЛ

Работа в формате PDF

258.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Однажды летом, находясь в гостях у дедушки, я задался вопросом, что будет с водой, если её вылить с балкона. Я спросил разрешение у дедушки и вылил воду. Проделал это несколько раз. В результате я заметил, что при падении с высоты струя воды разлетается на капли. Это меня удивило. Мне стало интересно, что происходит с водой в полёте, и почему она разделяется на капли. Это стало поводом для моей исследовательской работы на тему «Вода в полёте: что заставляет струю падающей воды разделяться на капли»

Объект - струя падающей воды.

Предмет – разделение струи падающей воды на капли.

Цель - установить, почему струя падающей воды разделяется на капли.

Чтобы достичь поставленной цели, я решал три задачи.

1. На основе источников информации определить физические явления, которые заставляют струю падающей воды разделяться на капли.

2. Изучить механизм разделения струи падающей воды на капли.

3. Проверить в ходе опыта, будет ли струя падающей воды разделяться на капли в безветренной среде.

Методы исследовательской работы: анализ литературы и Интернет-ресурсов по теме, обобщение, наблюдение, опыт, замедленная съёмка.

Я предположил, что причина в ветре. Это и послужило основой для гипотезы: струя падающей воды разделяется на капли из-за влияния ветра.

Анализ литературы по теме показал, что вода – уникальное и неповторимое вещество. Несмотря на непрерывное развитие науки и огромное количество открытий, учеными до сих пор не изучены все ее свойства и особенности. Интересно, что процесс разделения струи воды на капли начали изучать ещё в XIX веке. Жозеф Плато установил закономерности распада струи воды на капли. А лорд Релей выяснил, что главная причина этого явления - неустойчивость самой струи и описал механизм разделения струи воды на капли [6]. Открытия Плато и Релея послужили созданию технических изобретений, например, струйного принтера, ингаляторов [2].

Тем не менее, изучать разделение струи воды на капли продолжают до сих пор. Почти 200 лет не могли объяснить причину, которая лежит в основе возникновения неустойчивости струи воды [5]. Считалось, что это связано, в первую очередь, с влиянием внешних факторов, например, шероховатости сопла, ветра, вибраций и др. [4, 7]. Учёные-физики предполагали, что, если исключить влияние этих факторов, то струя будет непрерывной [6].

Изучая этот вопрос, я с удивлением обнаружил, что только в ноябре 2025 года группа учёных-физиков из Амстердамского университета опубликовала новые данные, которые говорят о том, что струя падающей воды будет делиться на капли независимо от внешних факторов [5, 7]. Запуск процесса разделения на капли, как отмечает Д. Бонн, зависит от микроскопических движений самих молекул воды и вызван внутренними процессами в жидкости [7].

Изучение литературы и Интернет-ресурсов открыло незнакомые мне до сих пор законы физики воды, а проведенный опыт со струёй воды позволил проверить гипотезу и самому найти ответ на интересующий меня вопрос. Я учусь в физико-математическом лицее и мне это стало особенно интересно: и сам факт открытия в 2025 году, и возможность проверки новой идеи ученых.

Глава 1 Разделение струи падающей воды на капли: физические явления и механизм

Интерес к изучению струи воды со стороны учёных-физиков и инженеров возник в XIX веке. Впервые Жосеф Плато, изучая струи вертикально падающей воды, экспериментально установил закономерность распада струи на капли. Позднее лорд Рэлей подтвердил исследование Плато и в 1879 году описал механизм распада струи жидкости на капли, обобщив результаты, полученные другими учёными, в том числе Жосефом Плато. Лорд Релей объяснил это явление неустойчивостью самой струи воды. Эта неустойчивость, по мнению учёного, связана с силой поверхностного натяжения [1, 6]. Это знание помогло мне понять, что неустойчивость – свойство, характерное практически для всего, что существует на Земле. И все в природе стремится принять устойчивое положение. Для струи падающей воды – это форма капель.

Я понял, что поверхностное натяжение - это явление при котором силы притяжения между молекулами воды заставляют жидкость принимать форму с наименьшей площадью поверхности (см. Рис. 1). Такой формой является сфера [3].

Простыми словами - это похоже на невидимую упругую плёнку, стягивающую каплю в шар. Примером действия силы поверхностного натяжения могут быть маленькие капельки росы на листьях растений (см. Рис. 2).

Действие силы поверхностного натяжения приводит к тому, что, если в струе появляется микронеровность (маленькое сужение), эти силы начнут его сжимать ещё сильнее. Вода из этого узкого места вытесняется в соседние участки, и там образуются утолщения. Так по всей струе возникает ритмичный рисунок: «шейка» - «шарик», «шейка» - «шарик». Дальше тонкие «шейки» вытягиваются и рвутся, превращаясь в мелкие брызги. А большие «шарики» становятся основными каплями. Они выстраиваются в цепочку примерно на одинаковом расстоянии друг от друга и слегка колеблются, пока летят (см. Рис. 2.1 Прил. 2).

На процесс распада струи на капли также можно посмотреть с точки зрения принципа минимума потенциальной энергии, согласно которому любая система склонна вести себя так, чтобы перейти в состояние с наименьшей потенциальной энергией из возможных [2]. В данном случае речь идёт об энергии поверхностного натяжения, зависящей от площади поверхности жидкости. Оказывается, что общая площадь поверхности капелек меньше, чем площадь поверхности участка цилиндрической струи той же массы. Это говорит о том, что дробление струи на капли энергетически выгодно [6].

Впоследствии явление самопроизвольного разбиения длинной струи жидкости на капли было названо в честь учёных Жосефа Плато и лорда Релея – неустойчивостью Релея-Плато [2].

Многие исследователи пишут, что теория Рэлея работает, и хорошо объясняет, как происходит процесс разделения струи на капли. Но при этом она не объясняет причин появления микронеровностей [6]. Так, почти двести лет ученые считали, что начальный толчок для появления маленьких сужений в струе воды, или микронеровностей, дают внешние факторы: неровности внутри сопла или крана, вибрации насоса, шум окружающей среды, акустическая обратная связь от удара при разделении струи на капли. Полагалось, что если сделать сопло идеально гладким, и изолировать установку от вибраций - то струя станет бесконечно длинной [7, 4].

Однако мы с родителями с удивлением обнаружили, что только в ноябре 2025 года группа учёных-физиков под руководством Дэниэла Бонна опубликовала новые данные, которые объясняют причину появления микронеровностей, которые, в свою очередь, приводят к образованию капель в струе падающей воды [7].

Команда физиков под руководством Д. Бонна утверждает, что эти первоначальные микронеровности вызваны колебаниями отдельных молекул. Исследователи провели 158 экспериментов с десятками типов сопел разной шероховатости - от микрометров до миллиметров. Они использовали жидкости с различной вязкостью и поверхностным натяжением, тщательно изолировав оборудование от внешних воздействий. Результаты оказались неожиданными: качество сопла и внешние шумы не являются первопричиной распада, струя воды будет разделяться на капли без воздействия внешних факторов. Все колебания исходили из самой жидкости, из-за микроскопических движений молекул, или по-научному из-за тепловых флуктуаций [7].

Тепловая флуктуация - это случайное отклонение физической величины от её среднего значения, вызванное хаотическим тепловым движением частиц системы, для жидкости это случайные микроскопические движения молекул жидкости. На поверхности жидкости — это движение создаёт микронеровности (микроскопическую рябь) [7].

Таким образом, анализ литературы и интернет источников показал, что образование капель подчиняется принципу неустойчивости Рэлея-Плато, также я выяснил что в процессе распада струи на капли участвует сила поверхностного натяжения. Механизм разделения струи падающей воды на капли состоит в следующем: струя воды распадается на капли под действием силы поверхностного натяжения на микронеровности, образовавшиеся вследствие колебания отдельных молекул – тепловых флуктуаций.

Глава 2 Опытное исследование разделения струи падающей воды на капли в безветренном помещении

До начала опыта я провел опрос своих родных: двух бабушек, дедушки и дяди Вовы. Я им задал три вопроса: «Как ты думаешь, распадётся ли на капли струя падающей воды, вылитая на улице?», «Если да, то предположи, почему так происходит?», «Будет ли распадаться на капли струя падающей воды в безветренном помещении?» Ответы получились разными, но отмечу, что все родные считают, что струя падающей воды разделяется на капли и на улице, и в безветренном помещении (см. Табл. 1.1 Прил. 1).

Бабушка Ольга, получившая медицинское образование и изучавшая физику в университете, сказала, что вода распадется на капли из-за действия силы тяжести и сопротивления воздуха. Бабушка считает, что в помещении вода тоже распадётся на капли из-за влияния этих сил.

Дедушка Михаил, получивший техническое образование и тоже изучавший физику в университете сказал, что струя воды распадётся на капли, потому что на воду действует сила гравитации – из-за этого она падает вниз. А из-за силы сопротивления воздуха она разрывается на отдельные части воды – капли. Также дед отметил, что на отдельные части падающей воды действует сила притяжения и сила поверхностного натяжения, и части воды стремятся принять форму шара. Дедушка Михаил сказал, что в помещении действуют те же силы и, значит, вода и в помещении будет распадаться на капли.

Бабушка Галина, получившая филологическое образование, сказала, что вода изначально состоит из капель, поэтому будет разделяться на капли всегда.

Дядя Вова, получивший естественно-научное образование, сказал, что вода распадется на капли из-за силы трения и уменьшения поверхностного натяжения воды во время полёта. При этом он говорит, что в помещении будет разделяться на капли, но в меньшей степени.

Мне показалось интересным, что никто из опрошенных родных никогда не задавался вопросом, почему струя падающей воды разделяется на капли, но при этом они все считают, что вода будет разделяться на капли в любых условиях. Если бабушка Ольга, дедушка Михаил и дядя Вова приводят в качестве аргументов влияние физических явлений, то бабушка Галина объясняет это явление наличием капель в струе воды изначально и не задумывается о том, что вода на самом деле не состоит из капель. Отмечу, что дядя Вова добавляет, что в помещении струя падающей воды будет делиться на капли, но не так сильно, как на улице. Он допускает вероятность влияния ветра. Я тоже изначально считал, что главное влияние на струю падающей воды оказывает ветер.

Другой интересный вывод, который я сделал из ответов моих родных – они называют разные физические явления, когда объясняют процесс разделения струи на капли. Значит единого мнения и представления об этом процессе у них нет.

Для проверки гипотезы исследования (струя падающей воды разделяется на капли из-за влияния ветра) я провел опыт со струёй воды в безветренной среде – в ванной комнате (см. Рис. 3.1, 3.2, 3.3 Прил. 3).

Я постарался исключить внешние факторы: закрыл дверь, выключил вытяжку и постарался не двигаться, чтобы не создавать ветра. Далее я открыл кран, пронаблюдал процесс разделения падающей струи воды на капли, а потом вместе с папой записал видео с замедленной сьёмкой, чтобы более внимательно рассмотреть этот процесс и зафиксировать момент разделения струи на капли. Видео с замедленной съёмкой представлено по ссылке в QR-коде на рисунке 3 в Приложении 3.

Замедленная съёмка позволила увидеть, что сначала плотный поток воды постепенно отдаляясь от сопла начинает разделяться на капли.

Мой опыт показал, что струя падающей воды разделяется на капли независимо от наличия ветра. Это подтверждают и исследования Д. Бонна [7].

Таким образом, выдвинутая в начале исследования гипотеза не нашла подтверждения. Разделение струи падающей воды на капли – процесс сложный, зависит от таких физических явлений как поверхностное натяжение, неустойчивость Релея-Плато, тепловых флуктуаций и не зависит от влияния ветра.

Заключение

Подмеченный как-то раз на балконе моего деда процесс разделения струи падающей воды на капли вырос в исследование, которое помогло мне и моим родителям обнаружить, что в основе, казалось бы, простых жизненных явлений лежат сложные физические процессы. Мое первоначальное бытовое представление о том, что разделение струи падающей воды зависит от ветра не подтвердилось в процессе опыта. А изучение литературы и Интернет-источников помогло мне понять причину, которая лежит в основе этого процесса.

Таким образом, проведенное исследование позволило сделать следующие выводы.

Во-первых, процесс разделения струи падающей воды на капли возникает вследствие колебания отдельных молекул, или по-научному тепловых флуктуаций, которые и образуют первоначальные микронеровности.

Во-вторых, на возникшие микронеровности начинает действовать сила поверхностного натяжения. Она усиливает микронеровности и выделяет их в отдельные капли.

В-третьих, струя падающей воды будет разделятся на капли без внешнего воздействия (потоков воздуха, вибраций, звуковых волн) и независимо от формы и шероховатости сопла.

Моё исследование заставило задаться и другими вопросами. Например, в каких технических изобретениях применяется явление распада струи жидкости на капли. Частично в процессе изучения литературы и источников в интернете я узнал, где применяется, но хотелось бы более подробно изучить изобретения, в основе которых лежит процесс разделения струи жидкости на капли.

Также мне интересно узнать, как поведет себя струя другой жидкости, например, меда, спирта, мыльного раствора. И как это можно применить в жизни.

Поиск ответов на эти вопросы относится к перспективам исследования.

Список источников и литературы

1. Асланов С. К. К теории распада жидкой струи на капли / С.К. Асланов // Журнал технической физики. 1999. – № 11. Том 69. – С. 132–133.

2. Неустойчивость Релея-Плато [Электронный ресурс] : материал из Рувики // Рувики : открытая онлайн-энциклопедия на русском языке и языках народов России. – Рувики, 2023. – Режим доступа:
   https://ru.ruwiki.ru/wiki/%D0%9D%D0%B5%D1%83%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%B9%D1%87%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%A0%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D1%8F_%E2%80%94_%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D1%82%D0%BE (дата обращения: 15.10.2025)

3. Поверхностное натяжение [Электронный ресурс] : материал из Рувики // Рувики : открытая онлайн-энциклопедия на русском языке и языках народов России. – Рувики, 2023. – Режим доступа:
   https://ru.ruwiki.ru/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D1%82%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5 (дата обращения: 15.10.2025)

4. Почему струя воды всегда распадается на капли? Колебания атомного уровня и неизбежность физики [Электронный ресурс] : материал из блога iXBT.com // Платформа iXBT Live - раздел популярного российского IT-ресурса iXBT.com. – Режим доступа: https://www.ixbt.com/live/science/pochemu-struya-vody-vsegda-raspadaetsya-na-kapli-kolebaniya-atomnogo-urovnya-i-neizbezhnost-fiziki.html (дата обращения: 06.01.2026)

5. Почему струя из крана распадается на капли - объяснили физики [Электронный ресурс] : материал из канала «Наука» // «Наука» - научно-популярный познавательный канал о достижениях российской и мировой науки. – Режим доступа: https://naukatv.ru/news/pochemu_struya_iz_krana_raspadaetsya_na_kapli_obyasnili_fiziki (дата обращения: 09.11.2025)

6. Ширяева С. О. О неустойчивости и самопроизвольном капиллярном распаде заряженных струй. Часть 1. Линейные аналитические исследования / С. О. Ширяева, А. И. Григорьев // ЭОМ. 2014. – № 5. – С. 24–34. – URL : https://cyberleninka.ru/article/n/o-neustoychivosti-i-spontannom-kapillyarnom-raspade-zaryzhennyh-struy-chast-1-lineynye-analiticheskie-issledovaniya (дата обращения 07.01.2026)

7. Stefan Kooij, Daniel T. A. Jordan, Cees J. M. van Rijn, Neil M. Ribe, and Daniel Bonn \ Phys. Rev. Lett. 135, 214001 (2025) - Published 17 November, 2025

Приложение 1 Опрос родных

Таблица 1.1 – Ответы моих родных на вопросы анкеты

Приложение 2 Иллюстрация процесса разделения
струи падающей воды на капли

Приложение 3 Фотосъёмка и видеосъёмка опыта
со струёй падающей воды в безветренном помещении