Резонансные свойства капель воды

     О колебаниях капель известно со времен Дж. Рэлея. Наиболее полно теория колебаний свободных капель описана Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшицем. Мода колебаний определяется двумя числами n=1,2,..., и l=0,±1,±2,...±n. Для осесимметричных мод у почти сферических капель частота определяется только числом n:

Резонансные свойства капель воды

     Резонансные свойства капель воды В лабораторных экспериментах удалось возбудить резонансные моды собственных капиллярных колебаний капли воды, подвешенной на гидрофильном колечке. Периодическое смещение колечка по вертикали приводило к резонансному возбуждению собственных колебаний капли воды.

     1. Стерлядкин В.В. Резонансные свойства вибрирующих капель // Известия АН СССР. Сер. Физ. атм. и океана. 1982. Т.18. №1. С.98—101.
     2. Стерлядкин В.В. Неожиданные свойства дождевых капель// Природа. 1989. №3. С.64—65.


Аномально высокая модуляция света, рассеянного осциллирующей каплей

     При измерении индикатрис рассеяния осциллирующих капель воды был обнаружен эффект аномально высокой модуляция света, рассеянного вибрирующей каплей. При углах рассеяния 125-1400 (вблизи радуги первого порядка) относительно темная капля начинала формировать яркие вспышки рассеянного света. На рис.2 представлена схема измерений индикатрис рассеяния осциллирующей капли и форма вспышек аномального рассеяния, которая изменялась при увеличении угла рассеяния а) α=1330°, б) , α=1340°, в) α=1370° г) α=1380° , д) α=1400°, е) α=1420° .

Схема измеренийСигнал на фотодиоде

     Рис.2. При α≈1300…1500° осциллирующая капля формировала импульсы рассеянного излучения, амплитуда которых в десятки раз превышала интенсивность света, рассеянного неподвижной каплей.

     Оказалось, что эффект связан с высокой чувствительности углового положения радуги первого порядка к деформации капли. Периодическое смещение радуги при осцилляции капли приводит к смещению радуги и появлению вспышек света. Изменение горизонтального размера капли на 1% приводит к смещению радуги на 3 градуса. Полное описание эффекта приведено в следующих работах:

4. Стерлядкин В.В. Натурные измерения колебаний капель осадков. Изв. АН СССР. Сер. ФАО. 1988. Т. 24. №6. С. 613-621.
5. Стерлядкина Е.А., Стерлядкин В.В. Рассеивающие свойства вибрирующей капли. Оптика и спектроскопия. 1988. Т. 64. Вып. 3. С. 685-688.
6. Стерлядкин В.В. Индикатрисы рассеяния эллипсоидальных капель воды. Оптика и спектроскопия. 1990. Т. 69. Вып. 6. С. 1357-1362.Стерлядкин В.В. Рассеяние света дождевыми каплями. Оптика атмосферы и океана, 2000. Т.13. №5. С. 534-538.

Индикатрисы рассеяния несферических и осциллирующих капель

     На рис.1. представлена схема расчета индикатрис рассеяния эллипсоидальной капле воды. Форма капли задается коэффициентом формы γ=с/a - отношением вертикальной оси с к горизонтальной оси а. [6].

Схема измерений

Схема измерений

     Рис.2. Схема формирования радуги первого порядка, которая образуется при третьем взаимодействии луча с границей капли после преломления в точке1, отражения с точке 2 и преломления в точке 3.
    Радуга первого порядка – это локальный максимум на индикатрисе рассеяния, который периодически смещается по углу при вибрации капли, рис.3а.

Схема измерений Схема измерений

     Рис.3. а) Слева показано периодическое смещение радуги при осцилляции капли. Амплитуда деформации ΔD/D = 0.015 приводит к периодическому сдвигу максимумов примерно на 4,50. Сверху показан цикл сдвига максимумов за один период колебаний.
б) свет, который видит наблюдатель при различных углах рассеяния. Сверху вниз угол рассеяния меняется от Θ = 132,5°, (2 ) Θ = 133°, (3) Θ = 136°, (4) Θ = 138°.

4. Стерлядкин В.В. Натурные измерения колебаний капель осадков. Изв. АН СССР. Сер. ФАО. 1988. Т. 24. №6. С. 613-621.
7. Стерлядкин В.В. Рассеяние света дождевыми каплями. Оптика атмосферы и океана, 2000. Т.13. №5. С. 534-538.
8. Стерлядкин В.В Куликовский К.В. Гусейнов Т.Н. Регистрация фототреков аномально высокой модуляции света в дождях. Оптика атмосферы и океана, 2012. Т.15. №8. С. 708-713.
9. Стерлядкин В.В. Микроволновые и оптические измерения параметров ветра и исследование микроструктуры дождя. 1991. Диссертация на соискание уч. ст. д.ф.-м.н. 387с.
10. Стерлядкина E.A. Исследование вибрации дождевых капель в видимом диапазоне длин волн.: Диссертации на соискание ученой степени кандидата физ.=мат. наук: 01.04.12 / АН СССР. Институт физики атмосферы. - Москва, 1989 . 132 с.