Τι είναι το σχήμα μιας σταγόνας βροχής;

Η δημοφιλής πεποίθηση ότι οι σταγόνες της βροχής έχουν σχήμα δακρύων είναι εσφαλμένη. Οι μετεωρολόγοι γνωρίζουν εδώ και χρόνια ότι μια πραγματική σταγόνα βροχής είναι σχεδόν τέλεια σφαίρα, αλλά το σχήμα των μεγαλύτερων σταγόνων οφείλεται σε εξωτερικές δυνάμεις όπως οι αεροδυναμικές και οι βαρυτικές. Το μέγεθος των σταγόνων αυξάνεται καθώς έρχονται πιο κοντά στην επιφάνεια της Γης και το μεγαλύτερο μέγεθος οδηγεί επίσης σε μεγαλύτερη ταχύτητα. Εάν η σταγόνα της βροχής γίνει πολύ μεγάλη σε μέγεθος, χωρίζεται στα δύο και αποκτά ξανά το αρχικό της σφαιρικό σχήμα.

Είναι γνωστό ότι μια σταγόνα βροχής που πέφτει έχει σχήμα που μοιάζει με δάκρυ. Ζητήστε από ένα μάτσο τυχαίων ανθρώπων να ζωγραφίσουν μια σταγόνα βροχής που πέφτει από τα σύννεφα. Περίπου το 99% από αυτούς θα το ζωγράφιζαν σαν μια βροχή δακρύων που βγαίνει από τα σύννεφα. Λοιπόν, σε αυτή την περίπτωση, ο κόσμος έχει 100% δίκιο. Ή τουλάχιστον, αυτό είναι που έχουν αναγκαστεί να σκεφτούν. Οι μετεωρολογικές προβλέψεις στην τηλεόραση απεικονίζουν τις σταγόνες της βροχής ως δάκρυα, κάτι που οδηγεί στο να διδάσκονται κατά λάθος οι απλοί άνθρωποι ότι οι σταγόνες της βροχής έχουν αυτό το σχήμα. Ακόμη και οι δάσκαλοι (συμπεριλαμβανομένων των καθηγητών!) διαιωνίζουν ενεργά αυτόν τον αστικό μύθο. Τα εικονίδια καιρού που χρησιμοποιούνται σε όλα τα μέσα είναι ενδεικτικά αυτής της ευρέως διαδεδομένης πλάνης, η οποία είναι προφανής αν κάνετε μια απλή αναζήτηση στο Google.

Ότι πολλές πηγές δεν μπορεί να είναι λάθος, σωστά; Θέλω να πω, ακόμη και η Google συμμετέχει σε αυτό!

Η αλήθεια

Οι μετεωρολόγοι γνωρίζουν εδώ και χρόνια ότι μια πραγματική σταγόνα βροχής δεν μοιάζει με δάκρυ. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν με την απεικόνιση μιας μικρής σταγόνας (λιγότερο από ένα χιλιοστό σε διάμετρο) χρησιμοποιώντας φωτογραφία υψηλής ταχύτητας δείχνουν ότι οι σταγόνες βροχής είναι σχεδόν τέλειες σφαίρες. Αν το αύξανες κατά 100 φορές περίπου, η μεγαλύτερη έκδοση θα έμοιαζε με κουλούρι χάμπουργκερ. Αυτά τα αποτελέσματα έρχονται σε άμεση αντίθεση με την παλιά δημοφιλή πεποίθηση.

Τώρα, ίσως αναρωτιέστε γιατί η σταγόνα είναι σφαιρική. Η απάντηση σε αυτό βρίσκεται σε ένα απλό φαινόμενο γνωστό ως επιφανειακή τάση , η ελκτική δύναμη που ασκείται στα επιφανειακά μόρια ενός υγρού από τα μόρια από κάτω, η οποία τείνει να έλκει τα μόρια της επιφάνειας στον όγκο του υγρού και κάνει το υγρό να πάρει το σχήμα που έχει τη μικρότερη επιφάνεια. Στην περίπτωση των σταγόνων βροχής, η μικρότερη περιοχή που μπορεί να επιτευχθεί κατά την πτώση είναι αυτή μιας σφαίρας. Μια απομονωμένη σταγόνα που δεν παραμορφώνεται από εξωτερικές δυνάμεις έλκεται από την επιφανειακή της τάση σε σφαιρικό σχήμα.

Οι μικρές σταγόνες είναι σφαιρικές, αλλά καθώς μεγαλώνουν, αποκτούν σχήμα ψωμιού χάμπουργκερ. (Πηγή εικόνας:en.wikipedia.org)

Οι μικροφωτογραφίες σωματιδίων σύννεφων και ομίχλης δείχνουν ότι αυτές οι σταγόνες δεν διακρίνονται από τις τέλειες σφαίρες.

Μικροφωτογραφία μιας σταγόνας βροχής.

Καθώς οι σταγόνες πέφτουν, χτυπούν σε κοντινές σταγόνες και συνδυάζονται με αυτές, με αποτέλεσμα να γίνονται μεγαλύτερες. Το περίεργο σχήμα των μεγαλύτερων σταγόνων οφείλεται εξ ολοκλήρου στις εξωτερικές δυνάμεις που ασκούν πάνω τους, δηλαδή στις αεροδυναμικές και βαρυτικές. Το μέγεθος των σταγόνων αυξάνεται καθώς έρχονται πιο κοντά στην επιφάνεια της Γης. Το μεγαλύτερο μέγεθος οδηγεί επίσης σε μεγαλύτερη ταχύτητα. Οι μεγάλες σταγόνες που πέφτουν κάτω πέφτουν άγρια ​​στον αέρα τόσο γρήγορα που δημιουργούν διαφορές πίεσης που παραμορφώνουν το σχήμα γύρω τους. Αυτό προκαλεί το τμήμα κοντά στο κάτω μέρος της σταγόνας να αναπτύξει υπερβολική πίεση και επομένως λιγότερη πίεση στα πλάγια.

Αυτή η διαφορά πιέσεων τείνει να ισοπεδώνει το κάτω μέρος της σταγόνας, δηλαδή να οδηγεί τα μόρια του νερού από την κορυφή και το κέντρο της προς τα πλάγια, ισοπεδώνοντας έτσι την πτώση και αυξάνοντας την οριζόντια διάμετρό της.

Οι διαφορετικές δυνάμεις που δρουν στην πτώση. Το πράσινο τμήμα είναι η περιοχή χαμηλής πίεσης. Οι κόκκινες γραμμές επηρεάζουν το σχήμα της σταγόνας.

Αυτό που είναι πιο ενδιαφέρον είναι ότι η προκύπτουσα τροποποιημένη επιφάνεια καμπυλότητας της πτώσης αποκαθιστά την ισορροπία πίεσης σε αυτήν. Αυτό αποδεικνύει ότι τα καλύτερα παραδείγματα επιστήμης βρίσκονται στη φύση.

Οι παραπάνω ρυθμίσεις αντισταθμίζουν μόνο τις διαφορές πίεσης που προκαλούνται από εξωτερικές πιέσεις και αεροδυναμικές δυνάμεις. Ωστόσο, υπάρχει μια άλλη δύναμη που εμφανίζεται στην εικόνα και πρέπει να ξεπεραστεί για να επιτευχθεί πλήρης ισορροπία. Προφανώς, μιλάμε για τη βαρυτική δύναμη!

Εάν η σταγόνα της βροχής γίνει πολύ μεγάλη σε μέγεθος, χωρίζεται στα δύο και αποκτά ξανά το αρχικό της σφαιρικό σχήμα. Αυτή η συνθήκη ικανοποιείται όταν η πτώση επιτυγχάνει την τελική ταχύτητα (την ταχύτητα με την οποία η πτώση πέφτει χωρίς περαιτέρω επιτάχυνση) και όταν η εσωτερική πίεση δεν είναι ομοιόμορφη καθ' όλη τη διάρκεια. Αυτή η κλίση πίεσης είναι συνήθως μικρή, καθώς η τερματική ταχύτητα επιτυγχάνεται γρήγορα.

Καθώς η σταγόνα της βροχής μεγαλώνει, βαραίνει και σε ένα σημείο χωρίζεται σε δύο σταγόνες. (Πηγή εικόνας:pmm.nasa.gov)

Από την πιο τεχνική πλευρά, ο συνδυασμός υδροστατικών και αεροδυναμικών αρχών θα πρέπει να έχει ως αποτέλεσμα μια πιο επίπεδη κορυφή και ένα πιο καμπυλωτό κάτω μέρος. Στην πραγματικότητα, όμως, συμβαίνει ακριβώς το αντίθετο.

Αυτή η εκπληκτική αποκάλυψη οφείλεται σε ένα άλλο φαινόμενο που είναι γνωστό ως ιξώδες (η αντίσταση που προσφέρεται στη ροή οποιουδήποτε υγρού). Μέχρι αυτό το σημείο, υποθέσαμε ότι οι σταγόνες πέφτουν μέσα από ένα απόλυτα μη παχύρρευστο ρευστό. Ωστόσο, ο αέρας έχει κάποιο ιξώδες και αρκεί να επηρεάσει το σχήμα των σταγόνων. Όταν κινείστε γύρω από μια μεγάλη σταγόνα βροχής, ο αέρας συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο όπως αυτό ενός πτερυγίου αεροπλάνου. Το στρώμα αέρα που περιβάλλει τη σταγόνα σχηματίζει μια ασταθή περιοχή στην επάνω επιφάνεια. Σε αυτή την περιοχή, η πίεση του αέρα είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή της βάσης της πτώσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη καμπυλότητα στην επάνω επιφάνεια από τη βάση.

Ουφ, αυτό είναι πάρα πολύ φυσική, αλλά τα καταφέραμε! Ο κοινός μύθος των σταγόνων βροχής σε σχήμα δακρύων καταρρίφθηκε επιτέλους. Παρόλο που γνωρίζουμε την αλήθεια, οι καλλιτέχνες και οι εικονογράφοι θα συνεχίσουν να ζωγραφίζουν σταγόνες βροχής όπως θέλουν, δάκρυα και όλα!

Δείτε αυτό το ενδιαφέρον βίντεο της NASA σχετικά με αυτό το θέμα: