Ćwiczenie nr 2 TEMAT: Wpływ falowania na dyspergowanie emulsji wody morskiej z ropą naftową. 1. Teoria 1. Fale na powierzchni morza Falowanie jest charakterystyczną cechą mórz i oceanów. Ruch cząsteczek wody związany jest z siłą ciężkości i lepkością wody. Przyczyną powstawania fal jest przemieszczanie się mas powietrza na styku z wodą. Tworzą się wówczas siły tarcia, które wzbudzają określone ruchy cząsteczek wody. W ten sposób powstają fale poprzeczne na powierzchni wody nazywane również falami powierzchniowymi. Odmiennym mechanizmem powstawania charakteryzują się fale podłużne, które wywoływane są podwodnymi trzęsieniami wody, drganiami akustycznymi, eksplozjami ładunków wybuchowych itp. W tym przypadku istotną rolę odgrywa wysoka sprężystość wody. Fale podłużne są falami wewnętrznymi. Mogą istnieć również wewnętrzne fale poprzeczne (np. na granicy dwóch warstw wody o różnej gęstości). Falowaniem zajmowali się liczni badacze: Laplace, Lagrange, Bernoulli, Guler, Cauchy, Lord Kelvin (William Thomson) oraz Helmholtz- wiek XIX, w wieku XX- H. Jeffreys, A. Defaut, G. Neumann [1, 4]. Fala jest zjawiskiem fizycznym, które polega na rozprzestrzenianiu się zaburzenia. Temu zaburzeniu, które jest funkcją czasu i zmiennych przestrzennych, towarzyszy przenoszenie energii. Zaburzenie rozchodzi się ze skończoną prędkością. Fale można podzielić na: 1) okresowe (gdy impuls w niezmiennej postaci powtarza się co pewien określony czas); 2) nieokresowe (gdy impuls o dowolnym kształcie trwa dowolnie długo). Istnieje wiele różnych kryteriów klasyfikacji fal morskich (np.: pochodzenie (geneza) fal, długość okresu, czas występowania w stosunku do czynników je generujących oraz miejsce powstawania). Ze względu na pochodzenie fale możemy podzielić na: 1) wiatrowe (powstające pod wpływem działania wiatru na powierzchnię morza), 2) baryczne (wytworzone przez zmiany ciśnienia atmosferycznego), 3) pływowe (generowane przez siłę grawitacyjną wywołaną przez Księżyc i Słońce), 4) telluryczne (sejsmiczne- powstałe wskutek trzęsienia ziemi, należą do nich fale tsunami).
Biorąc pod uwagę długość okresu fali, fale dzielimy na: 1) krótkookresowe (przeważnie wiatrowe): a) kapilarne- okres nie przekracza 0,1 (s), b) nadgrawitacyjne- ultragrawitacyjne o okresie od 0,1 do1 (s), c) grawitacyjne- o okresie 1 30 (s), d) podgrawitacyjne- infragrawitacyjne o okresie 30 300 (s), 2) długookresowe: a) długookresowe- fale sztormowe o okresie od 300 (s) do 12 (h), b) pływowe- o okresie 12 24 (h), c) pozapływowe- o okresie większym niż 24 (h), 3) samotne- o okresie nieskończenie wielkim, np.: fale tsunami lub baryczne. Mając za kryterium czas występowania fali w stosunku do czynników je generujących fale dzielimy na: 1) wymuszone (występują, gdy działa czynnik generujący), 2) swobodne (np. rozkołys- występują po ustaniu działania czynnika generującego lub poza zasięgiem wpływu tego czynnika). Ze względu na miejsce powstawania fali względem środowiska wodnego, podział fal jest następujący: 1) powierzchniowe (na granicy między wodą powietrzem), 2) wewnętrzne (na granicy dwóch ośrodków ciekłych o różnej gęstości). 1. Parametry fali Ruch falowy określany jest przez następujące parametry: 1) wysokość fali h (m)- różnica między poziomem najwyższego (grzbietu czyli wierzchołka) i najniższego (doliny czyli podnóża) punktu fali, 2) długość λ (m)- odległość między dwoma sąsiednimi grzbietami lub dolinami, 3) okres T (s)- czas potrzebny na przejście grzbietu o długość fali (czas, w którym cząsteczka wody zakreśli jedną pełną orbitę), 4) prędkość c (m/s)- odległość, którą przebywa dany punkt fali w jednostce czasu lub: c (2.1) T 2
5) stromość K- stosunek wysokości fali do połowy jej długości: K h 2 h 0,5 (2.2) 6) amplituda fali a- największe wychylenie punktu fali w górę lub w dół licząc od położenia równowagi, w którym jest niesfalowana powierzchnia wody, amplituda fali równa jest połowie jej wysokości. Graficznym obrazem ruchu falowego dla najprostszej fali harmonicznej jest sinusoida, którą opisuje następujące równanie, określające zmianę wychylenia punktu powierzchni falowej z położenia równowagi: 2 a sin t (2.3) T gdzie: η- jest wychyleniem danego punktu fali, a- amplituda, T- okres, t- czas, Rys. 2.1 Parametry fali. W praktyce występują często fale niesinusoidalne. Zbliżone są one do fali trochoidalnej, która charakteryzuje się ostrymi grzbietami, rozwartymi pod kątem 120 i łagodnymi dolinami. 3
Rys. 2.2 Fala trochoidalna. Długość fali ściśle trochoidalnej jest siedem razy większa od jej wysokości [2]. Jeśli stosunek ten przekracza liczbę 7, świadczy to, że fala swoim kształtem zbliża się do sinusoidalnego. Na Bałtyku, przy fali sztormowej, stosunek ten wynosi ~10 15, a na akwenach oceanicznych sięga ~20. Ruch falowy zmniejsza się w miarę wzrastania głębokości wody. Fale morskie zbliżające się do brzegu ulegają takim zjawiskom jak: załamaniu, odbiciu, interferencji i dyfrakcji. Rys. 2.3 Różne rodzaje załamania fal: a) spływowe, b) zatopione, c) burzliwe, d) baranki na głębokiej wodzie [3]. 4
Siła wiatru wg skali Beauforta Rys. 2.4 Interferencja falowania: a) układ wzmacniający, b) układ tłumiący, c) układ mieszany [1] Praktycznym narzędziem dla nawigatorów jest międzynarodowa skala Beauforta, którą przedstawia Tabela 2.1 Tabela 2.1 Międzynarodowa skala Beauforta dla siły wiatrów i stanów mórz [1]. Średnia prędkość wiatru, (m/s) Oznaczenie słowne Stan morza w skali Beauforta Wartość fali, (m) Wpływ wiatru na morze 0 0,2 cisza 0 - lustrzana tafla 1 1,1 powiew 1 0,2 małe fale o wyglądzie łukowatym, bez piany 2 2,5 słaby wiatr 2 0,5 krótkie fale, grzbiety zaczynają się załamywać, piana szklista załamujące się szczyty fal powodują 3 4,5 wiatr łagodny 3 1,0 słaby poszum, fale stają się dłuższe, 4 6,3 wiatr umiarkowany miejscami tworzą białe grzywy 5 8,6 wiatr świeży 4 1,5 6 11,1 wiatr silny 5 3,0 7 13,8 wiatr bardzo silny 6 5,0 8 16,7 wiatr gwałtowny 7 7,5 9 10 19,9 23,3 wichura silna wichura 11 27,1 gwałtowna wichura 9 12 17 34,8 39,2 43,8 48,6 53,5 >56,0 Huragan 8 10 i więcej kształt fal masywniejszy i wydłużony, tworzą białe grzebienie, wyrazisty poszum zaczynają się tworzyć góry wodne, grzebienie obejmują większe powierzchnie, szum stłumiony, bardziej huczący fale piętrzą się, piana układa się w pasma z wiatrem, szum załamujących się fal słychać na znaczne odległości wysokość i długość fal i grzebieni wzrasta, strzępy piany gęstsze, morze zaczyna wyraźniej huśtać wysokie góry wodne z długimi, załamującymi się grzbietami, duże płaty piany układają się w gęste strzępy idące z wiatrem, morze ma wygląd biały, huk potężny i gwałtowny góry wodne stają się tak wysokie, że statki na widnokręgu giną sprzed oczu w bruzdach, huk morza przechodzi w grzmot, morze pokryte białymi strzępami piany, wiatr rozbija grzebienie w pył wodny najwyższa fala, kipiel wody, rozpylony pył wodny tworzy mgłę przysłaniającą zupełnie horyzont 5
Istnieje wiele metod i przyrządów do pomiaru elementów fal (zwłaszcza ich wysokości). Obszerną grupę metod stanowią metody optyczne, polegające na wizualnej ocenie intensywności falowania lub na odczytaniu wysokości fal na łatach i pływakach albo przy użyciu odpowiednich przyrządów automatycznych. Do drugiej grupy zaliczamy falografy stosowane do pomiarów w warstwie powierzchniowej wody. Trzecią grupę stanowią falografy umieszczane na dnie płytkiego morza. 3. Wpływ falowania na powstawanie emulsji substancji ropopochodnych Ropa naftowa, która dostała się do morza tworzy na jego powierzchni rozpływ. Rozpływ może następować pod wpływem sił zewnętrznych (siła grawitacji, ciśnienie atmosferyczne, naprężanie styczne wiatru, siły hydrodynamiczne), jak również sił wewnętrznych (wynikających z wzajemnego oddziaływania cząsteczek między sobą). Początkowa gruba warstwa ropy przekształca się w błonę powierzchniową, o grubości kilku milimetrów, a w końcowej fazie rozpływu- kilku nanometrów. Czas trwania rozpływu jest zależny od objętości zrzutu i rodzaju ropy. Pod wpływem m.in. falowania, w końcowej fazie rozpływu błona powierzchniowa ulega rozerwaniu na mniejsze fragmenty, które ulegają rozpadowi na zespoły cząsteczek lub pojedyncze cząsteczki, mogące mieszać się z wodą, tworząc w ten sposób emulsję. 2. Przebieg ćwiczenia 1. Przygotować układ pomiarowy (nalać do naczynia sztucznej wody morskiej i ropy naftowej na jej powierzchnię), 2. Włączyć zestaw służący do wytwarzania fal mechanicznych, 3. Badania przeprowadzić wykorzystując częstotliwości z zakresu od 1 do10 (Hz), 4. Dokonać pomiarów amplitudy fal w trzech punktach różnie oddalonych od generującego wiosła (użyć skali milimetrowej na przezroczystej folii, którą należy przykleić do akwarium), 5. Odczytu amplitudy dokonać przy użyciu soczewki powiększającej przyłożonej do ścianki akwarium w punkcie pomiaru, 6. Dane pomiarów amplitudy umieścić w tabeli, 7. Wykonać wykresy zależności amplitudy fali od częstotliwości, 6
8. Zbadać metodą mikroskopową próby emulsji wody z ropą naftową na początku eksperymentu i po działaniu falowania, 3. Analiza wyników i wnioski Należy określić jak zmienia się amplituda fali (zgodnie z p.4 i 5 z przebiegu ćwiczenia). Scharakteryzować zachowanie się błonki na powierzchni wody podczas eksperymentu. Na wykresach zależności amplitudy fali od częstotliwości zaznaczyć niepewność pomiaru. Opisać wpływ falowania na dyspergowanie emulsji wody morskiej z ropą naftową. 4. Literatura 1. Gurgul H., 1997. Fizyka morza dla geografów. Wyd. US, Szczecin. 2. Łomniewski K., 1969. Oceanografia fizyczna. PWN, W-wa. 3. Thurman H. V., 1982. Zarys oceanologii. Wyd. Morskie, Gdańsk. 7