Csepp

A csepp egy kis folyadékdarab, amelyet teljesen vagy majdnem teljesen szabad felületek határolnak. Csepp keletkezik, amikor a folyadék felgyülemlik egy cső alsó végén, vagy más felületi határvonalon és azon, egyre növekvő méretű függőcsepp alakul ki, amely egy idő után leszakad róla, a folyadék lecseppen. Cseppek keletkezhetnek gőz lecsapódásával (kondenzációjával) is. A vízgőz a hőmérséklettől függően cseppekké kondenzálódik, azt a hőmérsékletet, amelyen ez éppen bekövetkezik, harmatpontnak nevezzük.

A folyadékból a felületi feszültség miatt képződnek cseppek.^[1]

A cseppképzés egyszerű módja, ha a folyadékot lassan engedjük kifolyni egy kis átmérőjű függőleges cső alsó végéből. A folyadék felületi feszültsége miatt a folyadék kidudorodik, lelóg a csőről. Amikor ez az egyre növekvő függő csepp meghalad egy bizonyos méretet, leszakad a csőr végéről. A lehulló folyadékrészt is csepp, amelyet felületi feszültség tart össze.

Egyes szilárdnak tűnő anyagokról kimutatható, hogy valójában rendkívül viszkózus folyadékok, mert cseppeket képeznek és csepp viselkedést mutatnak. A híres szurokcsepp-kísérletek során (hosszú évekig tartanak szurkot egy tölcsérben, megfigyelve, hogyan mozog benne) a szurokról kimutatják ilyen módon, hogy valójában folyadék. A tölcsérben lévő szurok ugyanis lassan cseppeket képez, mindegyik csepp körülbelül 10 év alatt alakul ki és szakad le.

A csepp ejtési mérés során egy csepp folyadék függ a cső végéről vagy bármely felületről, amit a felületi feszültség akadályoz meg a leesésben. A felületi feszültségből eredő erő arányos a folyadék és a cső közötti határvonal hosszával, az arányossági állandót általában ${\displaystyle \gamma }$ -val jelöljük.^[2] Mivel ennek a határnak a hossza a cső kerülete, a felületi feszültségből eredő erő így írható fel:

${\displaystyle \,F_{\gamma }=\pi d\gamma }$

ahol d a kör keresztmetszetű cső átmérője.

A cső végéről lelógó cseppre ható erők egyensúlyban vannak. Az m tömegű cseppre a a gravitációból eredő súlyerő ( ${\displaystyle F_{g}=mg}$ ) egyenlő a felületi feszültség által kifejtett (${\displaystyle F_{\gamma }\sin \alpha }$) erővel

${\displaystyle \,mg=\pi d\gamma \sin \alpha }$

ahol α a cső elülső felületével való érintkezési szög, és g a gravitációs gyorsulás.

Határesetként, a képlet megadja megadja egy adott ${\displaystyle \gamma }$ felületi feszültségű folyadék függő cseppjének maximális súlyát, amikor α=90°

${\displaystyle \,mg=\pi d\gamma }$

Ez az összefüggés a kőolajiparban általánosan használt, kényelmes felületi feszültség mérési módszer alapja. Vannak kifinomultabb módszerek is, amelyek figyelembe veszik a függő csepp alakjának változását is, miközben az nő. Ezeket a módszereket a még ismeretlen felületi feszültség meghatározására (megmérésére) használják.^[3][4]

A szilárd anyaghoz való csepptapadás két kategóriába sorolható: oldalirányú és merőleges tapadás. Az oldalsó adhézió hasonlít a súrlódásra, bár a tribológia (Súrlódástan) szerint erre az esetre az "oldalirányú adhézió" a pontosabb kifejezés. Ez azzal az erővel kapcsolatos, amely egy csepp, szilárd felületen való elcsúsztatásához szükséges. Vagyis annak az erőnek a nagysága, amely a cseppet a felületen egyik helyről egy másik helyre átcsúsztatásához szükséges. A merőleges tapadás annak az erőnek a nagysága, amely ahhoz szükséges, hogy egy cseppet a felületről merőleges irányban távolítva leválassza (például az ami a lerepítéséhez kell). Mindkét tapadási forma mérése elvégezhető a centrifugális adhéziós mérleggel - angolul: Centrifugal Adhesion Balance (CAB). Ez a speciális mérleg centrifugális és gravitációs erők kombinációját alkalmazva hozza létre az oldalirányú és felületre merőleges erők tetszőleges arányát. Például képes nulla oldalirányú és csak merőleges erőt fejt ki, hogy a csepp normál irányban elrepüljön a felületről. De kifejthet csak oldalirányú erőt nulla normálerő mellett, ezzel nulla gravitációt szimulálva.

A cseppecske kifejezés a „csepp” kicsinyített formája és általában az 500 μm-nél kisebb átmérőjű folyadékrészecskékre használják. Permetek (spray) esetében a cseppeket általában érzékelt méretükkel (azaz átmérőjükkel) jellemzik, míg a dózisuk (az általuk vitt hatóanyag, például rovarirtó mennyisége) szempontjából a térfogatuk számít (ami az átmérőjük köbével -harmadik hatványával- arányos).

Egy 3 mm átmérőjű, levegőben szabadon eső csepp végsebessége körülbelül 8m/s.^[5] Az 1 mm-nél kisebb átmérőjű cseppek 2 m esés alatt elérik a végsebességük 95%-át. De ezután a végsebesség eléréséhez szükséges távolság meredeken növekszik. Például egy 2 mm átmérőjű csepp a végsebességét 5,6 m esés után éri el.^[5]

A víz és levegő eltérő törésmutatója miatt az esőcseppek felületén fénytörés és fényvisszaverődés lép fel, ez hozza létre a szivárványt.

A hang fő forrása, hogy Amikor egy csepp folyadék felületet ér, buborékot hoz létre a vízben az alá szoruló levegő és a buborék fala rezegni kezd, ez a csepegés hangjának fő forrása. Ezek az oszcilláló buborékok adják a általában folyadékok jól ismert hangjait, például a folyó vízét vagy a fröccsenését, mivel ilyenkor sok csepp-folyadék ütközés következik be.^[6][7]

A folyadéktest felületi feszültségének csökkentése lehetővé teszi a cseppek által okozott zaj csökkentését vagy megelőzését.^[8] Ez azt jelenti, hogy ha szappant, vagy egyéb felületaktív anyagot (detergenst) adnak a vízhez. A csökkentett felületi feszültség csökkenti a csepegési zajt.

A kapilláris emelkedés értéke egy a gravitációt, a sűrűséget és a felületi feszültséget hozza kapcsolatba és közvetlenül meghatározza azt, hogy egy adott folyadék cseppje milyen formájú lesz. A kapilláris emelkedés a Laplace-nyomásból adódik (görbült folyadékfelületek, felületi feszültségből származó nyomása), a csepp sugarának felhasználásával.

A kapilláris emelkedés (kapilláris hossz) segítségével megkülönböztethetünk mikro- és makrocseppeket. A mikrocseppek a kapilláris hossznál kisebb sugarú cseppek, esetükben a alakjukat a felületi feszültség szabályozza és többé-kevésbé gömb alakúak. Amikor a csepp sugara nagyobb, mint a kapilláris hossz, akkor makrocseppeknek nevezzük, és alakja kialakulásában a gravitációs erő dominál. A makrocseppeket a gravitáció „lelapítja”, és a cseppek alacsonyabbak lesznek.^[9]

Az esőcseppek mérete általában 0,5 mm és 4 mm közé esik, a méreteloszlások gyorsan csökkennek a 2-2,5 mm-nél nagyobbak azonban már ritkák.^[10]

A tudósok hagyományosan úgy gondolták, hogy az esőcseppek méreteloszlását a leesésük közben bekövetkezett ütközéseik hozzák létre. 2009-ben francia kutatóknak sikerült kimutatniuk, hogy a cseppek méreteloszlása a levegővel való kölcsönhatásuknak köszönhető, ami deformálja a nagyobb cseppeket és kisebb cseppekre szedi őket. Így a legnagyobb esőcseppek méretét gyakorlatilag 6 mm átmérőjűre korlátozza.^[11] Azonban a 10 mm átmérőjű esőcseppek (térfogatuk és súlyuk megfelel egy 4,5 mm sugarú gömb alakúnak) elméletileg stabilak, nem esnek szét és szélcsatornában is lebeghetnek.^[12]

Az eddigi legnagyobb regisztrált esőcsepp átmérője 8,8 mm volt, 1999 júliusában a Kwajalein Atoll szomszédságában egy gomolyfelhő alján észlelték. 1995 szeptemberében egy azonos méretű esőcseppet észleltek Brazília északi részén.^[13]

Az orvostudományban ezt a tulajdonságot (szabvány cseppméret) olyan csepegtetők és intravénás infúziós szerelékek készítésére használják, amelyekben olyan átmérőjű csepegtető cső van, hogy a vele 20 csepp = 1 milliliter adódjon.

Ha kisebb mennyiségekre van szükség (például gyermekgyógyászatban), akkor mikrocseppentőket vagy gyermekgyógyászati infúziós szerelékeket használnak, amelyekben

1 milliliter = 60 mikrocsepp.^[14]

1. ↑ Luck, Steve. The American Desk Encyclopedia. Oxford University Press, USA, 196. o. (1998. november 25.). ISBN 978-0-19-521465-9 
2. ↑ Cutnell, John D.. Essentials of Physics. Wiley Publishing (2006) 
3. ↑ Roger P. Woodward. „Surface Tension Measurements Using the Drop Shape Method”. [2008. december 17-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2008. november 5.) 
4. ↑ F.K.Hansen (1991). „Surface tension by pendant drop. A fast standard instrument using computer image analysis”. Colloid and Interface Science 141 (1), 1–12. o. DOI:10.1016/0021-9797(91)90296-K. 
5. ↑ ^{a b} Numerical model for the fall speed of raindrops in a waterfall simulator, 2005. október 4. [2013. július 31-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2013. június 28.)
6. ↑ Prosperetti (1993). „The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain”. Annual Review of Fluid Mechanics 25, 577–602. o. DOI:10.1146/annurev.fl.25.010193.003045. 
7. ↑ Rankin: Bubble Resonance. The Physics of Bubbles, Antibubbles, and all That, 2005. június 1. (Hozzáférés: 2006. december 9.)
8. ↑ Thompson: Scientists have finally come up with a solution for the world's most annoying household sound. Mashable, 2018. június 25.
9. ↑ Berthier, Jean. Microfluidics for biotechnology, Silberzan, Pascal., 2nd, Boston: Artech House (2010. november 25.). ISBN 9781596934443. OCLC 642685865 
10. ↑ McFarquhar, Greg. Raindrop Size Distribution and Evolution, Rainfall: State of the Science, 49–60. o.. DOI: 10.1029/2010GM000971 (2010). ISBN 978-0-87590-481-8 
11. ↑ Emmanuel Villermaux, Benjamin Bossa (2009. szeptember 1.). „Single-drop fragmentation distribution of raindrops”. Nature Physics 5 (9), 697–702. o. [2022. október 9-i dátummal az eredetiből archiválva]. DOI:10.1038/NPHYS1340. 
12. ↑ Pruppacher (1971). „A Semi-Empirical Determination of the Shape of Cloud and Rain Drops”. Journal of the Atmospheric Sciences 28 (1), 86–94. o. DOI:<0086:ASEDOT>2.0.CO;2 10.1175/1520-0469(1971)028<0086:ASEDOT>2.0.CO;2. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.) 
13. ↑ Hobbs (2004. július 1.). „Super-large raindrops”. Geophysical Research Letters 31 (13), L13102. o. DOI:10.1029/2004GL020167. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.) 
14. ↑ Millilitre. www6.dict.cc. (Hozzáférés: 2018. augusztus 30.)

Ez a szócikk részben vagy egészben a Drop (liquid) című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.