Cuando una gota de agua cae en el agua, ¿de dónde proceden las salpicaduras?

Question

Cuando una gota de agua cae en un depósito de agua desde una altura suficiente, las gotas de agua salpican ( crédito de la imagen ):

Mi pregunta: ¿El agua de esas gotas procede de la gota original o del depósito?

Answer 1

Cuando una gota de agua impacta sobre una superficie líquida "charco" de agua, podemos observar uno o varios fenómenos:

• La gota "rebota" y luego "flota" en la superficie de la piscina.
• La gota "coalesce" en la piscina.
• La gota "salpica" la piscina, creando una "corona" alrededor de un "cráter".

Lo que ocurrirá depende del tamaño y la velocidad de la gota. En concreto, la colisión puede caracterizarse por la relación entre las fuerzas inerciales y la fuerza superficial, dada por el número de Weber (adimensional), $We$ define como:

$$We=\frac{\rho v^2 d}{\sigma}$$

donde $\rho$ es la densidad de la gota, $v$ es la velocidad y $d$ es el diámetro de la gota y $\sigma$ es la tensión superficial del fluido de la gota.

Cuando el $We$ supera un umbral de $\approx 84$ El impacto se caracteriza como una "salpicadura", en la que se forma una "corona" alrededor del cráter y una columna de agua se eleva desde el centro. 1

Para determinar si la gota original está presente en el agua "retrocedida", se realiza una serie de fotos se tomaron a intervalos sucesivos de 0,0003 s, utilizando una gota de 4,83 mm de diámetro (con colorante) que se dejó caer desde una altura de 175 mm en un charco de agua transparente. El número en la esquina de cada foto representa el número de secuencia de la foto (a intervalos de 0,0003s).

Como puede verse en estas fotos, el tinte de color está presente en los chorros de agua que rebotan en la superficie del agua transparente de la piscina. Sin embargo, no toda el agua de los chorros procede de la gota coloreada. Parte de la gota original está atrapada en una bolsa bajo la superficie, y los chorros que rebotan tienen una "capa" del material de la gota original. Esto se sabe porque en el experimento, la gota coloreada se hizo con agua mezclada con azul de timol, un indicador de color naranja oscuro con un pH entre neutro y ácido. El agua de la piscina contenía un 0,1% de carbonato sódico (álcali), que es de color transparente, pero cuando se combinan los dos, la mezcla se vuelve de color azul.

Unas imágenes de vídeo a alta velocidad ofrecen una visión fascinante del fenómeno.

Si miras esto vídeo de alta velocidad Verás que cuando la gota cae en el agua, ¡parece que rebota!

Un ejemplo aún mejor del fenómeno del "rebote" se encuentra en este vídeo cuando la gota se suelta suavemente desde cerca de la superficie del agua, parece que después de que la gota se "fusione" con el agua, parte de ella "rebota" de nuevo como una gota más pequeña, que vuelve a caer y flota en la superficie del agua.

La explicación que se ofrece es que una capa de el aire queda atrapado bajo la gota al golpear la superficie del agua. La tensión del agua hace que parte del agua de la gota se aglutine en el charco, liberando de nuevo una gota más pequeña.

Answer 2

Cuando la gota entra en el agua, empuja el agua del depósito fuera de su camino (esta acción consume la energía de la gota, lo que hace que disminuya su velocidad y se detenga). Cuando la gota ha pasado, deja aire tras de sí (efecto de deslizamiento). El agua del embalse que bordea esta corriente se mueve desde todos los lados para rellenar el hueco. Cuando el agua de lados opuestos se encuentra en el centro, debe disipar la energía de la colisión. No puede desplazarse hacia los lados ni hacia abajo, porque ya hay agua allí, así que "rebota" hacia arriba.

En la imagen, se puede ver la caída original en el fondo del agua revuelta y el "torbellino" por encima de ella.