|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ДИТЯЧА НАУКОВА ЛАБОРАТОРІЯ
Великої ложки природи. Дитяча наукова лабораторія
Довідник / Дитяча наукова лабораторія У лютому 1970 року неподалік острова Мартініка в Карибському морі троє американських учених - Г. Стоммел, Л. Хоуард і Д. Нергард - із завидною завзятістю намагалися загнати під воду кілометрову пластмасову кишку на кшталт тієї, що вживають садівники для полив. Гнучка кишка заплутувалася і ламалася, завдаючи чимало клопоту вченим, але вони домоглися свого: зрештою кишка "повисла" вертикально - від поверхні води до глибини 1000 метрів. І тоді вчені побачили те, що хотіли побачити: вони експериментально перевіряли теоретичні положення, висловлені за 14 років до цього Г. Стоммелом, А. Аронгом та Д. Бленгардом у роботі "Океанографічна загадка", і переконалися, що ці положення справедливі. Автори названої теоретичної роботи, вивчивши розподіл щільності води залежно від її солоності та температури в різних районах Світового океану на різній глибині, дійшли висновку, що якщо, наприклад, у Саргасовому морі біля Бермудських островів опустити вертикально мідну трубу, скажімо, завдовжки 1000 метрів і внутрішнім діаметром 2 сантиметри так, щоб кінець стирчав над водою не надто високо, можна буде спостерігати дивовижне явище, яке автори назвали "вічним сольовим фонтаном". Щоб запустити цей фонтан, достатньо під'єднати верхній кінець труби до насоса, включити його і тримати увімкненим рівно стільки, скільки потрібно для того, щоб підняти догори порцію менш солоної води з тисячометрової глибини. Після цього насос можна від'єднати, а вода з труби битиме фонтаном сама по собі. Справа в тому, що насос захоплює в трубу з тисячометрової позначки холодну воду, менш солону, ніж вода у вищих шарах. Піднімаючись вгору, вода дещо нагрівається, отримуючи тепло через стінки труби від більш нагрітої води верхніх шарів. Мідні стінки труби забезпечують теплообмін, але не обмін сіллю, тому вода в трубі в міру просування вгору стає теплішою, залишаючись мало солоною, а отже, порівняно мало щільною. Таким чином, стовп води, що міститься в трубі, легше, ніж еквівалентний стовп води поза трубою. Різниця у вазі дає різницю в тиску, яка зрештою і змушує менш солону воду підніматися вгору по трубі. Якщо кінець труби виступає не надто високо над поверхнею, то надлишкового тиску цілком вистачить на те, щоб приводити в дію "вічний фонтан", і менш солона вода безперервно виливатиметься з виступаючого кінця труби. Цей процес продовжуватиметься доти, доки вода в Саргасовому морі добре не перемішається, тобто практично нескінченно довго.
Отримавши сольовий фонтан заввишки 60 сантиметрів, вчені раптом засумнівалися: а що, якщо не різницю в щільності, а хвилі на поверхні змушують воду підніматися вгору? Хвилі рухають гнучкий, еластичний шланг, прикріплений до поплавця, і, можливо, перетворюють його на своєрідний насос, який якраз і живить енергією "вічний фонтан". Повторення досвіду з негнучким шлангом дозволило усунути сумніви: сольовий фонтан діяв і в цьому випадку. Спробуємо отримати сольовий фонтан і ми. Кілометровий шланг для цього не знадобиться, і замість Бермудських островів нам доведеться вирушити лише на кухню. А тропічний океан, вода в якому тепліша і солона біля поверхні і холодніша і менш солона на глибині, ми змоделюємо за допомогою широкої каструлі. Знадобиться нам ще й пластмасовий стаканчик, скажімо, з-під сиру "Хвиля", у денці якого слід шпилькою проткнути дірку.
Для початку наллємо в каструлю-океан холодної водопровідної води з-під крана так, щоб глибина цього шару придону склала 3-4 сантиметри. У воду поставимо вгору дном пластмасову склянку з діркою. Тепер дуже обережно, так щоб по можливості уникнути перемішування, станемо наливати в каструлю теплу воду до тих пір, поки холодна вода не здасться з отвору стаканчика. І, нарешті, змоделюємо поверхневий шар тропічного океану – для цього (знову з надзвичайною обережністю) поверх шару теплої води наллємо тонкий шар гарячої солоної води. "Океан" готовий. Якщо тепер капнути фарбою чи чорнилом над отвором у склянці, то можна побачити, що з отвору б'є невеликий фонтанчик води, моделюючи океанічний сольовий фонтан. Вода, що витікає зі стаканчика, має приблизно таку ж температуру, що й вода зовні його на тій же глибині, але вона менш солона, а отже, і легша. Це і змушує воду витікати зі стаканчика. Фонтанчик діятиме доти, доки сіль і тепло не розподіляться рівномірно по всьому обсягу нашого "океану". Сольові пальці Через те, що в сольових розчинах тепло поширюється набагато швидше, ніж сіль - приблизно - раз на сто, - в океані за певних умов може існувати свого роду природна мідна труба, вірніше, безліч дрібних трубочок - невидимих каналів, якими відбувається рух води у воді. Якщо над шаром холодної не дуже солоної води розміщений шар теплої солоної води, то на поверхні розділу утворюються мініатюрні сольові фонтанчики, що отримали назву "сольові пальці",- вгору б'ють струмки менш солоної води, відокремлені один від одного падаючими струнками більш солоної води.
Безпосередньо в океані сольові пальці спостерігати не вдавалося, але на кухні будь ласка! Для цього варто лише на склянку з холодною водопровідною водою налити підфарбованої солоної гарячої води. Наливати, звичайно, слід дуже обережно, щоб поверхня поділу між холодною та гарячою водою була досить чіткою. Щоб отримати чітку межу поділу між шарами води в "океані", Д. Волкер радить лити гарячу воду з невеликої висоти на шматочок плаваючої дощечки; К. Стонг рекомендує скористатися паперовим кружком, опущеним на ниточці до поверхні холодної води в банку.
Через кілька хвилин, після того, як модель буде готова, на поверхні розділу виростуть сольові пальці довжиною від 1 до 5 сантиметрів і товщиною близько міліметра. Явище це триває досить довго – від кількох хвилин до кількох годин. Виникнення та розвиток сольових пальців можна пояснити хвильовим збудженням, що деформує спочатку спокійну поверхню розділу. Краплі холодної води просуваються вгору в гарячу воду і навпаки. Через різницю у швидкості поширення тепла і дифузії солі, краплі, які виявилися зверху лінії розділу, переважно лише нагріваються, концентрація солі у яких майже змінюється, вони стають легше і продовжують підніматися; краплі, що опинилися знизу від лінії розділу, віддають тепло, стають холоднішими, важчають і опускаються.
Через великі втрати тепла через стінки судини досвід з пальцями в солено-теплому середовищі не завжди відразу виходить. Англійський фізик С. Тернер запропонував для досвіду раціональнішу соляно-цукрову систему, утворену двома розчинами. Перший розчин – солено-солодкий: дві з половиною чайної ложки солі та одна чайна ложка цукрового піску на склянку водопровідної води. Другий розчин – солодко-солоний: дві чайні ложки цукру та одна чайна ложка солі на склянку водопровідної води. Спочатку в скляну банку заливають солено-солодкий розчин – він утворює нижній шар усієї системи. Потім дуже обережно, зберігаючи поверхню розділу, ту ж банку наливають солодко-солоний розчин; його треба підфарбувати (чорнила "Райдуга" - сині або червоні). Сольові пальці з'являться протягом години і існуватимуть кілька годин. Швидкість зростання пальців у цьому досвіді залежить від швидкості дифузії солі, а сама їхня поява пов'язана з тим, що сіль дифундує швидше, ніж цукор. Верхній шар (солодко-солоний) має меншу щільність, ніж нижній, і межа між шарами, здавалося б, має бути стабільною. Але випадково виникає початкова нестабільність відправляє невелику кількість розчину цукру вниз, і сіль проникає в опуклість, що утворилася, швидше, ніж цукор дифундує в навколишній розсіл. Випуклість з добавкою солі стає щільнішою за своє оточення і спрямовується вниз, утворюючи палець. Так само невелика опуклість солоної води з нижнього, більш щільного шару, проникаючи вгору в солодко-солоний розчин, втрачає свою сіль швидше, ніж набуває цукор, стає легше свого оточення і спрямовується вгору у вигляді пальця. Сольовий осцилятор І, нарешті, ще один дивовижний досвід, заснований на різниці щільностей солоної та прісної води. Для досвіду знадобиться скляна банка з-під овочевих консервів або тонка чайна склянка, алюмінієвий патрончик з-під валідолу або фотоплівки. Можна використовувати і пластмасовий стаканчик з-під якихось ліків. Деньце стаканчика проткніть голкою, краще нагрітої, щоб краї отвору були гладкими. У алюмінієвому патрончику дірку легко пробити тією самою голкою.
Налийте холодну воду в банку майже до краю. Приготуйте солону воду (одна-півтора чайні ложечки солі на склянку води), підфарбуйте її чорнилом "Райдуга" (синім або червоним). Закріпіть стаканчик у картонній державці, вирізавши в ній отвір діаметром стаканчика. Потім опустіть його в банку і, наливаючи розчин солі, досягайте, щоб рівень води в стаканчику став трохи вищим, ніж у банку. Тепер поспостерігайте за тим, що відбувається. Більш щільна, важча солона вода починає витікати через отвір у склянці в прісну воду. Можна припустити, що вона так і буде рівномірно витікати доти, поки рівень розсолу в склянці не зменшиться настільки, що тиск розсолу, що витікає, зрівняється з тиском прісної води в банку на рівні отвору. Здається все так і відбувається. Підфарбований струмок стає тоншим і зникає. Всі? Ні, через деякий час струмінь з'являється знову і знову зникає. Так продовжується досить довго.
Що відбувається в стаканчику в той час, коли струмінь припинився, легко здогадатися, згадавши перший досвід: там б'є фонтанчик прісної води - від дна стаканчика, точніше, отвору, прісна, тобто легша, вода піднімається вгору крізь товщу розсолу. Якби прісна вода була підфарбована, ми змогли б спостерігати цей фонтан. Таким чином, вийшла якась коливальна система, яку назвали "сольовим осцилятором Мартіна" на ім'я вченого, який вперше виявив цей ефект у 1970 році. Період коливань осцилятора залежить в основному від розміру отвору та температури прісної води. В основі дії осцилятора ті ж механізми, що й у попередніх дослідах.
А. Система у рівновазі. Нижче отвори в стаканчику - прісна холодна вода вище отвору - більш щільна рідина, розсіл. Б, В. Виникнення нестабільності Релея-Тейлора, "розгойдування" і початок перебігу прісної води вгору. Сольовий осцилятор, - пише Д. Уолкер, - це приклад системи, яка починає коливатися після самозбудження завдяки нестабільності Релея-Тейлора (нестабільність на розділі шару щільнішої рідини, що лежить над менш щільною, коли поверхня розділу знаходиться в гідростатичній рівновазі), з наступним швидким збудженням (розгойдуванням) на поверхні розділу двох рідин. Інакше кажучи, у нашому досвіді, незважаючи на вирівнювання тисків в отворі, шар більш щільної рідини, що лежить над шаром менш щільної рідини, нестабільний і схильний до деяких слабких, випадкових обурень. Такі обурення породжують невелику опуклість поверхні розділу двох рідин. Через різницю щільностей деяка кількість менш щільної рідини виявляється зверху від старої поверхні розділу і деяка кількість щільнішої рідини видається вниз. Ця нестабільність швидко збільшується, сольовий осцилятор починає діяти. Прісна вода, проникаючи вгору, прискорює свою течію через отвір, тому що вона виявляється легшою за солону воду на тому ж рівні по інший бік отвору. Починає бити фонтанчик прісної води, і настає момент, коли цей струмінь зупиняє закінчення солоної води. Накачування води в склянку поступово призводить до збільшення висоти рідини в ньому і, отже, до збільшення тиску на рівні отвору. Втрата ж води з банки в незначній мірі зменшує рівень води в ній, оскільки банку ширше за склянку. Нарешті настає момент, коли тиск солоної води в отворі стає досить великим, щоб зменшити, а потім взагалі припинити фонтанчик прісної води. Цикл закінчено. У склянці тепер дуже багато води, і струмінь з'являється знову. Поступово потік зменшується, доки тиск на рівні отвору знову не вирівняється. Потім деяке випадкове обурення знову викликає опуклість лежить на поверхні розділу - з'являється фонтанчик прісної води. Таким чином, течія чергується: то вгору, то вниз - це і є сольовий осцилятор. Швидкість течії залежить від діаметра отвору в склянці та від в'язкості рідини. Як і в попередньому досвіді, можна спробувати й інші рідини, важливо тільки щоб вони розрізнялися по щільності і не змішувалися, як, наприклад, змішуються спирт і вода. Д. Уолкер повідомляє, що він пробував працювати з водою, трохи підфарбованою в блакитний колір, і розчином патоки, підфарбованим у червоний колір, і спостерігав, за його словами, майже казкове видовище. Для влаштування осцилятора Мартін використовував медичний шприц. Період коливань у цьому випадку дорівнює 4 секундам, а термін роботи осцилятора становив 20 циклів. Наш осцилятор з алюмінієвим патрончиком від валідолу, опущеним у чайну склянку, працював із 10-секундним циклом протягом години.
Великий осцилятор, влаштований з п'ятилітрової банки та поліетиленового флакона від відбілювача "Іскра-2", на сольовому розчині, злегка підсолодженому цукром і густо підфарбованому синім чорнилом, давав довгий струмок з 20-секундним циклом. Крім вихрового "парасольки" на кінці струнки, що з'являється на початку кожного циклу, тут можна спостерігати і вихрові кільця. Вони рухаються вниз, обганяючи, пронизуючи один одного, і розпливаються біля самого дна банки. Деякі з кілець вдалося зобразити на фотографії.
Ми розповіли про три досліди, засновані на відмінностях у щільності солоної та прісної води. У природі вертикальне перемішування океанських вод, викликане відмінністю щільностей, має величезне значення життя всього океану. Завдяки йому сонячне тепло, що поглинається тонким шаром води, поширюється углиб. (Довідка з БСЕ: шар товщиною всього в 1 сантиметр поглинає 94% сонячної енергії, що падає на поверхню нормальною морською водою і розсолом утворилася зона теплої води 44,2 ° С. До солоності 123 грама на кілограм. Інтерес до цих западин викликаний ще й тим , що у донних відкладах тут виявлено підвищений вміст цинку, міді, свинцю, срібла та золота - у 10-метровому верхньому шарі осаду їх накопичилося (за попередньою оцінкою) на 2,5 мільярда доларів. У вивченні цих западин брали участь і радянські вчені на кораблях "Академік Сергій Вавілов" та "Вітязь". Вчені припускають, що вік розсолу у западинах близько 10000 XNUMX років. Інший приклад подібної аномалії – озеро Ванда в Антарктиці. Безпосередньо під льодом вода в ньому прісна, і температура її 0 ° С, а на глибині 220 метрів температура води вже 25 ° С, а солоність - близько 150 грамів на кілограм. Як утворилися сольові западини? Наскільки точно можна визначити вік розсолу, що міститься у них? Відповісти на ці питання вчені не можуть. Для цього треба навчитися розраховувати швидкість конвективного перемішування гарячих і щільних розсолів з меншою холодною солоною водою, що знаходиться зверху. Потрібно досконало вивчити механізм дії великої ложки в океані. література:
Автор: В.Лаговський
Шум транспорту затримує зростання пташенят
06.05.2024 Бездротова колонка Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами
05.05.2024
▪ Двоканальний осцилограф 1541D від B&K PRECISION ▪ Модель для прогнозування розпаду вітамінів у космосі ▪ Однокристальна система Huawei Kirin 970
▪ розділ сайту Заводські технології вдома. Добірка статей ▪ стаття Спритність рук, і ніякого шахрайства. Крилатий вислів ▪ стаття Які розміри молекул? Детальна відповідь ▪ стаття Конюшина лугова. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Як винахідники комара обдурили. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Зарядний пристрій із таймером. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page