Тема роботи:

Дослідження властивостей комірок Бенара

Мета роботи:

Визначення залежності швидкості утворення комірок Бенара та їх кількості від температури.

Завдання:

Дослідити процес утворення комірок Бенара за допомогою тепловізора; визначити їх кількість і розміри.

Обладнання:

Тепловізор, цифровий термометр, штангенциркуль, веб-камера, електрична нагрівальна плитка, рицинова олія, алюмінієвий порошок.

Теоретичні відомості

   Самоорганізація − утворення впорядкованих структур, що відбувається не за рахунок дії зовнішніх сил (чинників), а у результаті внутрішньої перебудови системи. Це фундаментальне поняття, яке вказує на розвиток у напрямі від менш складних об’єктів до складніших і впорядкованих форм організації речовини. У кожному конкретному випадку самоорганізація виявляється по-різному, що залежить від складності і природи системи, яка вивчається. Комірки Бенара – прояв процесів самоорганізації у фізичних явищах – виникнення упорядкованості у вигляді конвективних комірок у формі циліндрових валів або правильних шестигранних структур у шарі в’язкої рідини з вертикальним градієнтом температури, тобто який рівномірно підігрівається знизу. Саме комірки Бенара є яскравим прикладом самоорганізації системи при повільній зміні її параметрів, що визначає актуальність вибору теми їх дослідження.

Експериментальні засоби і установка

 
       a               б Рис. 5.40. Зображення комірок Бенара:
на початку (а) і наприкінці (б) спостереження
Рис. 5.41. Аналіз зображення комірок Бенара, отриманого за допомогою тепловізора

Хід роботи

Для дослідження було приготовано розчин рицинової олії з додаванням 1-2 мг алюмінієвого порошку у металевій посудині. На початку дослідження за допомогою штангенциркуля виміряють товщину суміші.
За допомогою електронного термометра вимірюють температуру, за якої утворюються комірки Бенара (рис. 5.40, а) у процесі нагрівання на електричній плитці (близько 57^oС) і визначають температуру їх розпаду (близько 100^oС) – розпад комірок Бенара (рис. 5.40, б). Крок спостереження температури – 2^oС. Дослід було повторюють кілька разів після кожного охолодження суміші.
Для визначення температури комірок Бенара у центрі і по краях було використано програмне забезпечення тепловізора (рис. 5.41): маркування певних зон зображення супроводжується отриманням температурних даних.
На основі отриманих даних експерименту, будують графік залежності діаметру комірок від температури у програмі Excel (рис. 5.42), який апроксимують прямою.

Рис. 5.42. Графік залежності розмірів комірок від температури (d=f(T)) За значенням тангенса кута нахилу прямої було визначено коефіцієнт пропорційності у залежності d=f(T):
У висновках відображають, зокрема, те, що діаметр комірок прямопрорційно залежить від температури (d~T), а кількість

комірок – обернено пропорційно (N~1/T). Водночас вказують на те, що вигляд самих комірок і межі між ними з підвищенням температури теж змінюються: з ростом Т ці конвективні утворення візуально трансформуються від овальної форми до багатокутника, границі між комірками стають тоншими і розмитішими.