Природа падения снежинок и дождевых капель
Существует ряд факторов, которые объясняют, почему снежинки падают медленнее, чем капли дождя. В основе этого различия лежат физические свойства самих осадков и особенности их взаимодействия с атмосферой.
Форма и структура
Снежинки — это сложные кристаллические структуры, которые состоят из множества симметрично расположенных кристаллов льда. Их форма несовершенно аэродинамична: из-за разветвленной структуры снежинки имеют большую площадь поверхности по сравнению с массой, что повышает сопротивление воздуха. В то время как капли дождя, имея более компактную и гидродинамическую форму, сталкиваются с меньшим сопротивлением.
Плотность и масса
Снежинка содержит много пустот и воздуха, что делает её менее плотной чем вода в капле дождя. Таким образом, меньшая плотность снежинки означает меньшую массу и, следовательно, меньшую скоростную компоненту под действием силы тяжести.
Влияние турбулентности воздуха
При падении на снежинки значительное влияние оказывает турбулентность воздуха. Они более подвержены изменению траектории движения из-за своей лёгкой массы и формы. Это также дополнительно замедляет их падение.
Уравнение Стокса
Скорость падения объекта в вязкой среде может быть описана уравнением Стокса:
[
v = \frac{2}{9} \frac{r2 \cdot (\rho_p - \rho_f) \cdot g}{\eta}
]
где ( v ) — конечная скорость падения,
( r ) — радиус частицы,
( \rho_p ) — плотность частицы,
( \rho_f ) — плотность среды,
( g ) — ускорение свободного падения,
( \eta ) — динамическая вязкость среды.
Применительно к снежинкам, это уравнение показывает, что их меньший размер и плотность приводят к более низким скоростям падения по сравнению с каплями дождя.
Таким образом, основным фактором, отвечающим за различие в скоростях падения снежинок и дождевых капель, является их аэродинамическое сечение и весовые характеристики. Эти аспекты определяют, как каждой из частиц удаётся преодолеть сопротивление воздуха.
Категория: Физика
Теги: аэродинамика, атмосферные явления, гидрометеорология