Какие силы действуют на ряску в сосуде на МКС

[EUgeneUS]

AlexKol
Предположим (скорее всего так и есть, но у меня нет доказательств), что "хвост" и нижняя сторона листа ряски - гидрофильные, а верхняя сторона листа - гидрофобные. Тогда ряска обязательно перевернется в "анатомическое" положение, если "зацепится" за поверхность воды, то есть если окажется в полупогруженном состоянии. Так как это наиболее энергетически выгодное положение.

Остается вопрос: а почему ряска оказывается в полупогруженном состоянии? Почему она "всплывает" к поверхности.

1. Сила Архимеда.
Сила Архимеда возникает, если есть градиент давления (если давление падает при приближении к поверхности).
Может ли такое возникнуть в невесомости?
Представим свободно парящий в невесомости водяной шар. За счет поверхностного натяжения внутри него давление несколько выше, чем давление воздуха снаружи. Но градиента давления не возникает (давлением, вызванным гравитацией литра воды - пренебрегаем). То есть деревянный шарик, погруженный в такой водяной шар не должен всплывать (за разумное время).
Однако, у Вас не водяной шар, а совсем даже наоборот - вода в пластиковом кубе создает шарообразный воздушный пузырь. Так может быть, если вода смачивает стенки куба.
Будет ли при этом возникать градиент давления - оценить не возьмусь

2. А нужно ли всплывать вообще?
Возьмем такой куб с водой и ряской и сильно потрясем (вибрации при старте ракеты).
Воздушный пузырь разобьется на много мелких. И многие из этих пузырей будут контактировать с растениями.
Уберем тряску (прилетели). Пузыри начнут сливаться, образуя один большой. Но тогда, в процессе такого слияния, ряска все время какой-то частью находится на границе воздух-вода. А значит, когда образуется большой пузырь, растения будут какой-то частью в воде, какой-то в воздухе. А значит они перевернутся (см. выше).

[AlexKol]

Простите, я не физик, просто выскажу версию. Мне кажется, следует учитывать микрогравитацию, которая притягивает воду к стенкам сосуда, а менее плотный воздух вытесняется на наиболее удалённое расстояние от стенок. Тогда определённый градиент давления будет выталкивать ряску к поверхности центрального пузыря. То есть всё равно архимедова сила. Может это быть причиной?

[EUgeneUS]

AlexKol
Нужно определиться с термином "микрогравитация".
Согласно принципа эквивалентности Эйнштейна гравитационная и инертная массы суть одно и то же. А значит силы гравитации и силы инерции не отличимы (если где соврал, надеюсь старшие товарищи поправят).

МКС довольно протяженная штука, не материальная точка. Поэтому по орбите летает её центр масс, а остальные точки летают не по "своим орбитам" (как если бы они летали, не имея жесткой связи с соседними), а чуть по другому. Поэтому возникают силы инерции, которые и называются "микогравитацией".
Отсюда: силы микрогравитации тем больше, чем дальше от центра МКС (направление тоже имеет значение). И уж точно микрогравитация не способна сформировать воздушный пузырь в емкости с водой.

Так что воду к стенкам сосуда притягивает не микрогравитация, а адгезия (смачивание) водой материала стенок сосуда. Будет ли при этом внутри воды формироваться градиент давления (необходимый для возникновения силы Архимеда) судить не берусь, как говорил выше.

[Emergency]

AlexKol в сообщении #1438146 писал(а):

То есть всё равно архимедова сила. Может это быть причиной?

Может, но только если вы оставите в покое ваш аквариум лет на сто.
В данном же случае, любое течение в жидкости от случайного или намеренного толчка непременно натолкнется на сферическую стенку с очевидными последствиями - движением вдоль искривленной стенки. Такое движение, даже малозаметное, создаст центробежную силу, которая отожмет жидкость к стенкам, оставив посередине пузырь с ряской. Если рассматривать только центробежную силу, то пузырь должен был получиться в виде цилиндра, но вмешивается поверхностное натяжение, стремящееся уменьшить площадь поверхности пузыря и он приобретает форму шара. Градиент же, создаваемый центробежной силой остается до тех пор пока жидкость хотя бы слегка вращается. При этом легкие частицы всплывают к пузырю.

[VASILISK11]

AlexKol в сообщении #1438146 писал(а):

Простите, я не физик, просто выскажу версию. Мне кажется, следует учитывать микрогравитацию, которая притягивает воду к стенкам сосуда, а менее плотный воздух вытесняется на наиболее удалённое расстояние от стенок. Тогда определённый градиент давления будет выталкивать ряску к поверхности центрального пузыря. То есть всё равно архимедова сила. Может это быть причиной?

Возможно, Вам будет интересно прочитать о уже проделанных опытах в невесомости с пузырями в воде, там же есть и описание возможных механизмов образования одного пузыря из многих http://vivovoco.ibmh.msk.su/VV/Q_PROJEC ... UB_127.HTM

[Toolt]

EUgeneUS в сообщении #1438133 писал(а):

Предположим (скорее всего так и есть, но у меня нет доказательств), что "хвост" и нижняя сторона листа ряски - гидрофильные, а верхняя сторона листа - гидрофобные. Тогда ряска обязательно перевернется в "анатомическое" положение, если "зацепится" за поверхность воды

... Вот только если посмотреть на последний снимок, то объяснение "не прокатывает". Видно, что все (!!!) растения, находясь в полностью погруженном состоянии, и ни разу не зацепляясь за поверхность, уже повернулись в "анатомическое положение". Такое ощущение, что они буквально устремились от стенок сосуда к "пузырю". Все-таки, многое говорит о том, что здесь больше биологии, чем физики.
Сколько нужно времени, чтобы ничтожные силы смогли заставить растения переместиться к пузырю? Месяцы? Годы? Зато удлинить корешки (тем более, что судя по фото, они касаются стенок, поэтому есть опора) на 1-2 см ряска может за 3-4 дня. (Конечно, для роста ряске нужен воздух, но главное для нее - свет. А питание в крайнем случае она получит и из воды).

(Оффтоп)

Замечание про адгезию, как причину нахождения воды у стенок сосуда, это конечно, очевидно. Вот только интересно, почему воздушный пузырь в виде идеального шара? Вроде бы из за кубической формы сосуда шаровая форма должна быть сильно искажена?

[arseniiv]

Toolt в сообщении #1438197 писал(а):

Вот только если посмотреть на последний снимок, то объяснение "не прокатывает".

Ну вообще-то одно другому не мешает.

А чтобы сравнить вклады разных эффектов, надо проводить эксперимент ещё тщательнее, чем если надо вообще убедиться в явлении, и по возможности разными способами.

Toolt в сообщении #1438197 писал(а):

Вроде бы из за кубической формы сосуда шаровая форма должна быть сильно искажена?

Почему это, нет. В местах, где кривизна поверхности больше, она будет в покое распрямляться, чтобы уменьшить площадь. Стенки никак на расстоянии дальше миллиметров на это действовать не должны.

[Toolt]

arseniiv в сообщении #1438203 писал(а):

А чтобы сравнить вклады разных эффектов, надо проводить эксперимент ещё тщательнее, чем если надо вообще убедиться в явлении, и по возможности разными способами.

Это точно, иначе это гадание. Собственно говоря, даже из этого эксперимента можно было бы гораздо легче установить причину явления, если бы было больше информации: было ли сильное встряхивание сосудов в начале эксперимента; сколько времени длилось движение, пока не появилась установившаяся картина; каким образом растения продвигались к пузырю; как и когда происходил их поворот листецом к пузырю; замечен ли был рост растений; как было организовано освещение и т.д.

-- 04.02.2020, 11:38 --

arseniiv в сообщении #1438203 писал(а):

В местах, где кривизна поверхности больше, она будет в покое распрямляться, чтобы уменьшить площадь. Стенки никак на расстоянии дальше миллиметров на это действовать не должны.

Да, действительно, спасибо за пояснение. Адгезия актуальна на расстояниях не дальше миллиметров, и если воды в сосуде (естественно если сосуд не какая-нибудь узкая загогулина) достаточно, чтобы покрыть все стенки слоем в несколько сантиметров, воздух соберется в шар без искажений.

[AlexKol]

arseniiv в сообщении #1438203 писал(а):

если бы было больше информации: было ли сильное встряхивание сосудов в начале эксперимента

Когда установка отправлялась на МКС, безусловно, было и встряхивание, и перегрузки.
После прибытия на МКС сразу наблюдений не проводилось, груз через некоторое время распаковали, закрепили на стенке модуля. Жалко, но в это время на содержимое внимания не обратили, только через несколько часов. Тогда и увидели эту картину.

[Toolt]

Ну, если время исчисляется часами, то конечно здесь чисто физические процессы, насчет биологии умолкаю. (Тем более, что при более внимательном рассмотрении четвертого снимка, там растения на самом деле тоже на поверхности пузыря).
И тогда предложенные в теме физические объяснения кажутся вполне правдоподобными. (Особенно фактор слияния мелких пузырьков в один большой пузырь).

[GraNiNi]

AlexKol в сообщении #1438222 писал(а):

Когда установка отправлялась на МКС, безусловно, было и встряхивание, и перегрузки.

В случае такого интенсивного перемешивания всего содержимого ячеек, сразу же возникнут ситуации, когда одна часть растения находится в воде, а другая - в воздушном пузыре. А после перехода в невесомость, растение, уж точно, в воду полностью не погрузится, так как поверхность листа плохо смачивается и вода будет выталкивать лист к границе воздушного пузыря.
Причем, может быть даже так, что вначале, у каждого листика будет свой небольшой пузырек, которые в дальнейшем сольются в один общий для всех растений.

[GraNiNi]

Позвольте высказать еще некоторые соображения.

Почитал про ряску.
Оказывается строение этих (водных) растений таково, что у них имеются в межклеточном пространстве специальные полости, наполненные газом (воздухом). Они выполняют двоякую роль - обеспечивают положительную плавучести листеца (так называют тело ряски), а также служат буферной емкостью в процессах газообмена - фотосинтеза и дыхания.
Корень же выполняет роль своеобразного противовеса, предотвращая переворачивание листеца в природной среде, при воздействии ветра или волны.

Таким образом, когда ряску поместили в ячейку (еще на земле) она сразу же плавала на поверхности воды. Во время выхода ракеты на орбиту, при действии вибраций и гравитационных перегрузок, ряска все равно оставалась в плавучем положении - на границе воды и воздуха, так как на нее все время продолжала действовать выталкивающая (архимедова) сила, даже в перевернутом положении.
Когда же наступила невесомость, то архимедова сила пропала, но тут же на первый план выходит явление смачивания - точнее не смачивания, которое и не дает ряске погрузиться в воду - выталкивает ее к поверхности.