Przy poszukiwaniu wyjaśnienia tego zjawiska zauważyliśmy obecność fal Faradaya. Uznaliśmy, że właściwości tych fal przyczyniają się do utrzymywania się kropel na powierzchni drgającej cieczy.

Fale Faradaya są nieliniowymi falami stojącymi, pojawiającymi się na płynie zamkniętym w wibrującym zbiorniku. Kiedy częstotliwość wibracji osiąga wartość krytyczną, płaska powierzchnia hydrostatyczna zaczyna być niestabilna.

Fale mogą przyjmować postać pasków, ciasno upakowanych sześciokątów, czy nawet kwadratów czy wzorów półokresowych. Fale Faradaya są powszechnie obserwowane jako łagodne paski na powierzchni wina w szklance, gdy się nią dzwoni jak dzwonkiem. Fale Faradaya rozwiązują również „fontannowe” zjawisko misy dźwiękowej. (Faraday Waves. 2015).

Krople utrzymują się na drgającej tafli wody z mydłem także dzięki specyficznej budowie mydła. Mydła są to sole Wyższych kwasów karboksylowych i mocnych zasad. Ze względu na budowę taka cząsteczka dzieli się na 2 części: hydrofilową i hydrofobową. Gdy mydło zostaje rozpuszczone w wodzie cząsteczki ustawiają się w taki sposób, aby część hydrofobowa nie stykała się z wodą. Kropla na powierzchni wody jest w istocie sferą, która jest utrzymywana w takiej pozycji przez cząsteczki mydła.

powietrza). Przez mniejszą powierzchnię styku z podłożem kropla może formować się kąt (między powierzchnią, a kroplą) który ma niemal 150 stopni. Płaska powierzchnia wody uniemożliwia powstawanie krople, zwłaszcza z dodaniem detergentów, które zmniejszają napięcie powierzchniowe. Fala, którą wytwoarzamy na głośniku jest falą stojącą, przypomina niejednolitą powierzchnię, która tworzy mniejszą powierzchnię styku, na której łatwiej powstają krople wody.

Hipoteza:

• Im większe stężenie roztworu wody z mydłem, tym czas utrzymywania się kropli, będzie dłuższy.

Zmienna niezależna:

• Stężenie roztworu wody i mydła (5%; 10%; 20%; 40%; 50%; 70%; 80%)

Zmienna zależna:

• Czas utrzymywania się kropli na powierzchni wody.

Zmienne Kontrolowane:

• Częstotliwość fal dźwiękowych (ustalamy stałą częstotliwość 80 Hz, gdyż ze wstępnych badań wynikało, że drgania w okolicach tej częstotliwości były najbardziej widoczne na powierzchni wody).
• Amplituda dźwięku (stała amplituda podczas wszystkich pomiarów, tak aby nie wprowadzać dodatkowych czynników i nie zaburzać wyników pomiarów).

Wyjaśnienie hipotezy:

Detergenty (np. mydło) umożliwiają luźniejsze ułożenie cząsteczek wody i bardziej nieregularną powierzchnię na której łatwiej utrzymać krople, gdy są pod wpływem drgań.

Metoda:

Na głośniku umieściliśmy szalkę Petriego, w której znajdował się roztwór wody i mydła o odpowiednim stężeniu, które zmieniałyśmy podczas każdej próby. Następnie za pomocą pipety umieszczaliśmy na drgającej powierzchni cieczy kolejno krople czystej wody oraz krople roztworu mydła o stężeniu identycznym z roztworem w szalce Petriego.

Zebrane dane:

Wnioski:

Kropla z roztworu mydła utrzymuje się najdłużej przy stężeniu 40%, natomiast kropla z wody przy stężeniu 50%. Patrząc na wyniki czasu utrzymywania się kropli z wody możemy zauważyć tendencję wzrostową. Przy kroplach z roztworu mydła nie widać zbyt dużej regularności. Prawdopodobnie wynik dla stężenia 40%, (przy kroplach roztworu mydła) wynika z faktu, iż hydrofobowe własności roztworu i częstotliwość drgań są najbardziej odpowiednie. Zbyt gęsty roztwór ma inne właściwości, uważamy więc, że 40% roztwór jest optymalnym roztworem do pomiarów dla drugiej próby. Wysokie stężenie mydła sprawia, że ciecz jest gęstsza i tłumi drgania, przez co krople trudniej utrzymują się, dlatego w tabeli powyżej 70% nie zbierałyśmy pomiarów.

Odniesienie do hipotezy: Im większe stężenie tym dłuższy czas utrzymywania się kropel. Hipoteza potwierdziła się jedynie częściowo, gdyż przy pewnym stężeniu (zbyt gęsty roztwór) fale wytłumiały się i krople nie utrzymywały na powierzchni cieczy.

*Rekordowy pomiar pojawił się przy stężeniu 40%, co potwierdza nasze wnioski, że roztwór 40% jest najlepszym roztworem do wykonywania pomiarów przy manipulacji częstotliwościami.

Hipoteza:

• Zwiększając częstotliwość drgań, spowodujemy wydłużenie czasu utrzymywania się kropel na powierzchni roztworu.

Zmienna niezależna:

• Częstotliwość drgań (20 Hz; 40 Hz; 80 Hz; 120 Hz; 150 Hz; 200 Hz; 250 Hz;)

Zmienna zależna:

• Czas utrzymywania się kropel

Zmienne kontrolowane:

• Stężenie roztworu wody z mydłem –(wybrałyśmy stężenie 40% ponieważ w powyższych pomiarach udało się nam zauważyć, że jest to roztwór, na którym krople utrzymują się najdłużej i są najlepiej widoczne).
• Amplituda dźwięku (stała amplituda podczas wszystkich pomiarów, tak aby nie wprowadzać nowych parametrów i nie zaburzać wyników pomiarów).

Interpretacja danych z doświadczenia:

Wnioski:

Tylko w niektórych zakresach częstotliwości możliwe jest powstanie fali, ponieważ kiedy częstotliwość wibracji osiąga wartość krytyczną, powierzchnia hydrostatyczna zaczyna być płaska i jednolita przez co krople przestają się utrzymywać. Patrząc na wyniki doświadczenia możemy wywnioskować, że gdy ‘kładziemy’ na powierzchnię krople z roztworu mydła, najdłużej utrzymują się one przy częstotliwości 80 Hz. W sytuacji, kiedy nasze krople są kroplami wodnymi wnioski są podobne, również najdłużej utrzymują się przy częstotliwości 80 Hz. Na wykresach widać, że krople z płynu najlepiej utrzymują się podczas częstotliwości ok80-150 Hz, a potem drastycznie spada czas utrzymywanie się kropli. Dla pomiarów dotyczących kropki z wody sytuacja wygląda podobnie. Czas utrzymywania się kropli rósł do 80 Hz, a później znacznie spadły.

Można zauważyć, że jedynie w pewnym zakresie częstotliwości krople utrzymują się znacznie dłużej. Podczas manipulowania częstotliwością, obserwowaliśmy zmiany fal wodnych, przy ok. 80 – 100 Hz fale wydawały się najbardziej stojące, pojedyncze. Po dodawaniu kropli i zmianach częstotliwości dostrzec można było zmniejszanie się liczby kropli unoszących się na wodzie zarówno przy większej jak i mniejszej częstotliwość niż podany zakres. Od pewnego momentu fale przestały być widoczne zwłaszcza przy bardzo wysokich częstotliwościach.

Odniesienie problemu do życia codziennego:

Podobne zjawisko można zaobserwować w przyrodzie. Przykładem, który ilustruje zasadę działania są liście lotosu – efekt lotosu. Na zdjęciu widać powierzchnię podobną do powierzchni wody podczas drgań na głośniku. Rośliny wykorzystują ultrahydrofobową powłokę do samooczyszczenia.

Podczas pierwszych pomiarów przy manipulowania stężeniem roztworu zaobserwowaliśmy, że najlepsze stężenie to około 40%. Warto byłoby wykonywać dokładne pomiary w zakresie np. 38-42% aby sprecyzować zachowanie kropli na powierzchni roztworu.

Pomiary czasu utrzymywania się jednej kropelki na powierzchni wody wykonywane były przy użyciu stopera. Czas reakcji wynosił od pół sekundy do sekundy, co mogło wpłynąć na wyniki. Sfilmowanie doświadczenia i wymierzanie czasu z nagrania umożliwiłoby otrzymanie dokładniejszych wyników, jednak to wymagałoby dużo większego nakładu czasu.

Wiele kropelek łączyło się z cieczą od razu, bądź utrzymywało się mniej niż 1 sekundę, dlatego trzeba było wykonać wiele powtórzeń, aby otrzymać wiarygodne wyniki. Aby udoskonalić doświadczenie można by rozważyć więcej zmiennych, takich jak wielkość kropel. Poprzez pokrycie większej liczby czynników dokładniej dałoby się opisać i wyjaśnić zjawisko.

• Faraday waves. (2015). Data dostępu: 15. 01. 2015 r. http://www.ebooksread.com/authors-eng/michael-faraday/experimental-researches-in-chemistry-and-physics-hci/page-31-experimental-researches-in-chemistry-and-physics-hci.shtml