从前面的量纲分析中,我们也看到该公式的合理性,写成单位形式——
[N/m] × [m] = [N/m^2] × [m^2]
公式化简,得到——
p = 2γ/R
这就是标准的球曲面下,压强与表面张力的关系。
这个公式也是【杨-拉普拉斯方程】的一种简单的形式。
还有更简单的形式杨-拉普拉斯方程还有更简单的形式,这里需要我们了解一点关于曲率的概论。
中学时我们学过,曲率κ定义为半径的倒数,即:κ = 1/R。
这其实是二维下的特殊情况。
对于三维曲面,曲率等于任意两个垂直方向上的曲率之和——
显然,标准球曲面的曲率 κ = 2/R。
下面不用我说大家也知道如何化简了——
p = γ·κ
这里的p,可以理解为由于表面的出现,而产生的“附加压强”,这个压强的大小与正负,与曲率直接相关。
如下图,无论是液体中的气泡,还是气体中的液滴,只要是球内的部分,压强就要比球外大,这是由于曲率的正负决定的。
这里科技千里眼奉送一个自己做的仿真计算——液滴在表面张力作用下的变形,我们看到,蓝色部分为负曲率,因此压强为负,而红色部分为正曲率,因此压强为正,液体会从正压强流向负压强,这也是表面张力影响下流体变形的基本原理。
液滴(气泡)半径越小,压强越大,它向周边溶解气体的速率就越快;历经一段时间后,小气泡会逐渐消失,聚集成大气泡,这是气泡的【演变动力学】——
有没有这种情况,就是液滴(气泡)半径无限小,那么,我们是不是创造了一个无限大的压强呢?
比如,当液滴(气泡)刚刚形成时,不就是这种情况吗?
但是,我们也知道,自然界是不会存在无限大的压强的。这是怎么回事呢?
原来,液滴或气泡的形成,是需要一个微小的异物(核)的,一般是灰尘;如果水凝聚在灰尘颗粒上,液滴就能够长大。
对于气泡来说,也类似,一些碳酸饮料中,气体的胚胎残留在瓶壁上的某些位置,这些位置正是极微小的凸凹不平处,它们使得气泡不断长大。
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