Deszcz i kałuży: fizyka spadającej wody

Deszczowe kapelusze nie są kształtami łza

Rysunki animowane przedstawiają kapelusze deszczu jako kształt łza, ale rzeczywiste spadające kapelusze nie mają takiego kształtu. Mały kapelusz, utrzymywany przez napięcie powierzchniowe, zaczyna się od przybliżonego sferoidalnego kształtu. Gdy pada szybciej i rosnie w rozmiarach, opór powietrza działa na jego dole i przesuwa go w kształt podobny do hamburgera — z wygiętym góry i płaskim spodnie. Kapelusze o średnicy większej niż około 4–5 milimetrów stały się niestabilne i rozpadają się na mniejsze kapelusze, co jest powodem braku naprawdę dużych kapeluszy deszczu w naturze.

Spadający kapelusz szybko osiąga prędkość terminalną — prędkość, przy której siła oporu powietrza podniesionego dokładnie równa jest przyciąganiu grawitacyjnego, co spowoduje, że kapelusz zatrzyma się w rozmiarach i spadnie o stałą prędkość na resztę swojej drogi. Prędkość terminalna zależy od rozmiaru kapelusza: mały parysek mokrego powietrza może padać z prędkością poniżej 1 metra na sekundę, a duża kapelusz o średnicy kilku milimetrów może osiągnąć około 9 metrów na sekundę (około 32 km/h) — co jest również powodem, dla którego silniejszy deszcz, składający się z większych kapeluszy, pada mocniej i dźwięczy głośniej na dachu.

terminal velocity: the speed where drag force = gravitational force

drag force (turbulent regime)  ≈  ½ · ρ_air · v² · Cd · A
weight                          =  m · g

at terminal velocity: drag force = weight, so acceleration = 0

Płynki: fale rozprzestrzeniające się z jednego punktu

Kiedy kapeluszka deszczu trafia do kałuże, przesuwa wodę na punkcie uderzenia, a ten szok rozprzestrzenia się jako okrągła fala — płytkę falową — przenosząc energię od miejsca uderzenia bez transportowania wody sama bardzo daleko (każde małutkie fragmenty wody głównie poruszają się na górę i na dół podczas przepływu fali, nie obok siebie). Płytkę rozszerza się, ponieważ szok na jej przednim krawędziowym ciągnie za sobą wodę nadal spokojną przed nią, przenosząc falę dalej, podczas gdy woda za nią powraca do spoczynku. Wielokrotne trafianie kapeluszków deszczu na kałużę w szybkiej kolejności tworzy pokrywające się płytki, które przechodzą przez siebie nie zmieniając się tam, gdzie się przecinają — właściwość nazywana superpozycją, taka sama zasada, która pozwala falom dźwiękowym i światłowym przepływać przez siebie bez naruszenia jednej drugiej.

Chmury: jak woda dostała się tam na początku

Deszcz zaczyna się od wodnego paru, który spadł do małych liquidznych kropli znajdujących się w chmurze. Zazwyczaj te krople powstają wokół mikroskopijnych cząsteczek zawiesin, takich jak pył, pączki roślinne lub solina morska, które działają jako nukleatory kondensacji — powierzchnie, które uczyniły zaniechanie klastrowania molekuł wody znacznie łatwiejsze niż od początku. Indywidualne krople chmorne są zbyt małe i lekkie, aby opadać jako deszcz; tylko połączenie się i połączenie z wystarczającą liczbą innych kropli (proces nazywany koalencją) sprawia, że te krople stają się ciężkie do tego stopnia, że grawitacja w końcu pokonuje podmuchy powietrza i opór powietrza utrzymujące je na miejscu.

Cztery rodzaje deszczu, jedna podstawowa fizyka

Deszcz z jasnego nieba składa się z wielu małych, wolno opadających kropli (zazwyczaj mniej niż pół milimetru), które niemal nie przeszkadzają powierzchni kałuży. Zwykły deszcz ma większe, szybsze krople tworzące jasno widoczne okrąglutkie brzegi fal. Burza łączy dużą wielkość kropli z dużym objętościowym obciążeniem i często silnym wiatrem, co przewija deszcz boki do boków, a nie tylko w dół. Deszcz słoneczny — deszcz opadający podczas nadal jasnego słońca, często z przechodzącej burzy na odległym tle — jest meteorologicznie identyczny fizyka opadającego wody; to, co czyni go wydzielającym, polega jedynie na tym, że chmura deszczowa jeszcze nie zablokowała słońca dla pozycji obserwatora, a kombinacja może spowodować pojawienie się tęczy, jeśli światło słoneczne odbieta i przepuści przez opadające krople pod odpowiednim kątem w stosunku do widoku.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Rain & Puddles i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.