|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
DZIECIĘCE LABORATORIUM NAUKOWE
Duża łyżka natury. Laboratorium naukowe dla dzieci
Katalog / Laboratorium Naukowe dla Dzieci W lutym 1970 roku niedaleko wyspy Martyniki na Karaibach trzej amerykańscy naukowcy – G. Stommel, L. Howard i D. Nergard – z godnym pozazdroszczenia uporem próbowali wbić pod wodę kilometrowy plastikowy jelito, podobne do tego, które ogrodnicy używają do podlewania kwiatów i drzew. Elastyczne jelito splątało się i pękło, co sprawiło naukowcom wiele kłopotów, ale mimo to osiągnęli swój cel: ostatecznie jelito „zawisło” pionowo – od powierzchni wody do głębokości 1000 metrów. I wtedy naukowcy zobaczyli to, co chcieli zobaczyć: eksperymentalnie przetestowali tezy teoretyczne wyrażone 14 lat wcześniej przez G. Stommela, A. Aronga i D. Blengarda w pracy „Oceanographic Riddle” i upewnili się, że te zapisy są prawdziwe. Autorzy tej pracy teoretycznej, po zbadaniu rozkładu gęstości wody w zależności od jej zasolenia i temperatury w różnych obszarach Oceanu Światowego na różnych głębokościach, doszli do wniosku, że jeśli np. rurę o długości powiedzmy 1000 metrów obniży się pionowo i o średnicy wewnętrznej 2 centymetrów, tak aby koniec nie wystawał zbyt wysoko nad wodę, wtedy będzie można zaobserwować niesamowite zjawisko, które autorzy nazwali „wiecznym fontanna solna”. Aby uruchomić tę fontannę, wystarczy podłączyć górny koniec rury do pompy, włączyć ją i pozostawić włączoną dokładnie na czas potrzebny do wydobycia porcji mniej słonej wody z głębokości tysiąca metrów. Następnie pompę można odłączyć, a woda z rury sama się spuści. Faktem jest, że pompa zasysa do rury zimną wodę, mniej słoną niż woda w wyższych warstwach, z tysiąca metrów. Podnosząc się, woda nieco się nagrzewa, odbierając ciepło przez ścianki rur z nieco cieplejszej wody z górnych warstw. Miedziane ścianki rury zapewniają wymianę ciepła, ale nie wymianę soli, dzięki czemu woda w rurze staje się cieplejsza w miarę poruszania się w górę, pozostając lekko słona, a zatem stosunkowo mniej gęsta. Zatem słup wody zawarty w rurze jest lżejszy niż równoważny słup wody na zewnątrz rury. Różnica ciężaru powoduje różnicę ciśnień, co ostatecznie powoduje, że mniej słona woda unosi się w górę rury. Jeśli koniec rury nie wystaje zbyt wysoko ponad powierzchnię, wówczas nadciśnienie będzie wystarczające, aby uruchomić „wieczną fontannę”, a z wystającego końca rury będzie w sposób ciągły wypływać mniej słonej wody. Proces ten będzie trwał do momentu, aż woda w Morzu Sargassowym zostanie dobrze wymieszana, czyli niemal w nieskończoność.
Otrzymawszy fontannę solną o wysokości 60 centymetrów, naukowcy nagle zaczęli wątpić: co, jeśli nie różnica w gęstości, ale fale na powierzchni powodują unoszenie się wody? Fale poruszają giętkim, elastycznym wężem przymocowanym do pływaka i być może zamieniają go w rodzaj pompy, która po prostu zasila energią „wieczne źródło”. Powtórzenie eksperymentu ze sztywnym wężem pozwoliło rozwiać wątpliwości: w tym przypadku fontanna solna również się sprawdziła. Spróbujmy zdobyć fontannę solną i my. Nie będzie do tego potrzebny kilometrowy wąż, a zamiast na Bermudy wystarczy udać się do kuchni. A tropikalny ocean, gdzie woda jest cieplejsza i bardziej słona na powierzchni, a zimniejsza i mniej słona na głębokości, będziemy modelować za pomocą szerokiej patelni. Przyda nam się też plastikowy kubek, powiedzmy spod sera Volna, w dnie którego należy przekłuć dziurkę szpilką.
Na początek wlej zimną wodę z kranu do pan-oceanu, tak aby głębokość tej dolnej warstwy wynosiła 3-4 centymetry. Do wody wkładamy plastikowy kubek z otworem do góry nogami. Teraz bardzo ostrożnie, aby jak najbardziej uniknąć mieszania, wlewamy do garnka ciepłą wodę, aż z otworu w szklance zacznie wypływać zimna woda. I na koniec zasymulujmy warstwę powierzchniową oceanu tropikalnego - w tym celu (znowu z zachowaniem szczególnej ostrożności) wylejemy cienką warstwę gorącej, słonej wody na warstwę ciepłej wody. Ocean jest gotowy. Jeśli teraz upuścisz farbę lub tusz na otwór w szkle, zobaczysz, że z otworu tryska mała fontanna wody, symulując oceaniczną fontannę solną. Woda wypływająca z kubka ma mniej więcej taką samą temperaturę jak woda na zewnątrz na tej samej głębokości, jest jednak mniej słona, a zatem lżejsza. Spowoduje to wypłynięcie wody z kubka. Fontanna będzie działać do momentu równomiernego rozprowadzenia soli i ciepła w całej objętości naszego „oceanu”. paluszki solne Z uwagi na fakt, że w roztworach soli ciepło rozprzestrzenia się znacznie szybciej niż sól - mniej więcej raz na sto - w oceanie, pod pewnymi warunkami, może znajdować się coś w rodzaju naturalnej miedzianej rurki, a raczej wiele małych rurek - niewidocznych kanałów, przez które jaki ruch zachodzi woda w wodzie. Jeśli nałożymy warstwę ciepłej słonej wody na warstwę zimnej, niezbyt słonej wody, wówczas na styku tworzą się miniaturowe fontanny solne, zwane „palcami solnymi” - ubijają się strumienie mniej słonej wody, oddzielone od siebie opadające pasma bardziej słonej wody.
Palców solnych nie można było obserwować bezpośrednio w oceanie, ale w kuchni proszę! Aby to zrobić, wystarczy wlać zabarwioną słoną gorącą wodę do szklanki zimnej wody z kranu. Wlewać oczywiście należy bardzo ostrożnie, tak aby granica pomiędzy zimną i gorącą wodą była w miarę wyraźna. Aby uzyskać wyraźne połączenie warstw wody w „oceanie”, D. Walker zaleca wylewanie gorącej wody z małej wysokości na kawałek pływającej deski; K. Stong zaleca stosowanie papierowego koła opuszczonego na sznurku na samą powierzchnię zimnej wody w słoiku.
Po kilku minutach, gdy model będzie gotowy, na styku wyrosną palce solne o długości od 1 do 5 centymetrów i grubości około milimetra. Zjawisko to trwa dość długo – od kilku minut do kilku godzin. Pojawienie się i rozwój palców solnych można wytłumaczyć wzbudzeniem fal, które deformuje początkowo spokojną granicę faz. Krople zimnej wody przemieszczają się do góry do gorącej wody i odwrotnie. Ze względu na różnicę w szybkości rozprzestrzeniania się ciepła i dyfuzji soli, kropelki znajdujące się na górze linii podziału w zasadzie tylko się nagrzewają, stężenie soli w nich prawie się nie zmienia, stają się lżejsze i nadal unoszą się; kropelki, które znajdą się poniżej linii podziału, oddają ciepło, stają się zimniejsze, stają się cięższe i toną.
Ze względu na duże straty ciepła przez ścianki naczynia eksperyment z palcami w słono-ciepłym środowisku nie zawsze kończy się natychmiastowym sukcesem. Angielski fizyk S. Turner zaproponował do eksperymentu bardziej racjonalny układ sól-cukier utworzony z dwóch roztworów. Pierwszy roztwór jest słono-słodki: dwie i pół łyżeczki soli i jedna łyżeczka cukru kryształu na szklankę wody kranowej. Drugie rozwiązanie jest słodko-słone: dwie łyżeczki cukru i jedna łyżeczka soli na szklankę wody kranowej. Najpierw do szklanego słoika wlewa się słono-słodki roztwór - tworzy on dolną warstwę całego układu. Następnie bardzo ostrożnie, zachowując interfejs, słodko-słony roztwór wlewa się do tego samego słoika; musi być zabarwiony (atrament „Tęcza” - niebieski lub czerwony). Palce solne pojawią się w ciągu godziny i utrzymają się przez kilka godzin. Tempo wzrostu palców w tym doświadczeniu zależy od szybkości dyfuzji soli, a sam ich wygląd wynika z faktu, że sól dyfunduje szybciej niż cukier. Warstwa górna (słodko-słona) ma mniejszą gęstość niż dolna, a granica między warstwami, jak się wydaje, powinna być stabilna. Jednak przypadkowa początkowa niestabilność powoduje, że niewielka ilość roztworu cukru spada w dół, a sól wnika w powstałe wybrzuszenie szybciej niż cukier przenika do otaczającej solanki. Wybrzuszenie po dodaniu soli staje się gęstsze niż otoczenie i spływa w dół, tworząc palec. W ten sam sposób małe wybrzuszenie słonej wody z dolnej, gęstszej warstwy, przenikając w górę do słodko-słonego roztworu, szybciej traci sól niż nabywa cukier, staje się lżejsze od otoczenia i pędzi w górę w postaci rosnący palec. Oscylator soli I na koniec kolejne niesamowite doświadczenie oparte na różnicy w gęstości wody słonej i słodkiej. Do eksperymentu potrzebny będzie szklany słoik z warzywami w puszkach lub cienka szklanka do herbaty, aluminiowy wkład spod walidolu lub kliszy fotograficznej. Możesz także użyć plastikowego kubka spod jakiegoś leku. Nakłuj spód szklanki igłą, najlepiej podgrzaną, tak aby krawędzie otworu były gładkie. Tą samą igłą łatwo jest przebić dziurę w aluminiowym kartridżu.
Do słoika wlej zimną wodę prawie po brzegi. Przygotuj słoną wodę (od jednej do półtorej łyżeczki soli na szklankę wody), zabarwij ją tęczowym tuszem (niebieskim lub czerwonym). Zamocuj kubek w tekturowym uchwycie wycinając w nim otwór odpowiadający średnicy kubka. Następnie opuść go do słoika i wlewając roztwór soli dbaj o to, aby poziom wody w szklance był nieco wyższy niż w słoiku. Teraz obserwuj, co się dzieje. Gęstsza i cięższa słona woda zaczyna przepływać przez otwór w szkle do świeżej wody. Można założyć, że będzie płynął równomiernie do momentu, gdy poziom solanki w szkle obniży się na tyle, że ciśnienie wypływającej solanki zrówna się z ciśnieniem świeżej wody w słoiku na poziomie otworu. Wygląda na to, że wszystko się dzieje. Zabarwiony strumień staje się cieńszy i znika. Wszystko? Nie, po chwili strumień pojawia się ponownie i ponownie znika. Trwa to już dłuższy czas.
To, co dzieje się w szklance w momencie zatrzymania strumienia, łatwo zgadnąć, pamiętając pierwsze doświadczenie: jest fontanna świeżej wody - z dna szklanki, a dokładniej, z otworu, świeżej, czyli lżejszy, woda podnosi się przez grubość solanki. Gdyby słodka woda była zabarwiona, moglibyśmy obserwować tę fontannę. W ten sposób uzyskano pewien układ oscylacyjny, który nazwano „oscylatorem soli Martina” na cześć naukowca, który jako pierwszy odkrył ten efekt w 1970 roku. Okres oscylacji oscylatora zależy głównie od wielkości otworu i temperatury świeżej wody. Działanie oscylatora opiera się na tych samych mechanizmach, co w poprzednich eksperymentach.
A. Układ jest w równowadze. Poniżej otworu w szklance znajduje się świeża, zimna woda, nad otworem znajduje się gęstsza ciecz – solanka. B, C. Pojawienie się niestabilności Rayleigha-Taylora, „huśtawka” i początek przepływu wody słodkiej w górę. Oscylator solny – pisze D. Walker – jest przykładem układu, który zaczyna oscylować po samowzbudzeniu na skutek niestabilności Rayleigha-Taylora (niestabilność na styku warstwy gęstszej cieczy leżącej nad mniej gęstą, gdy granica międzyfazowa znajduje się w równowadze hydrostatycznej), po czym następuje szybkie wzbudzenie (nagromadzenie) na granicy faz pomiędzy dwiema cieczami. Innymi słowy, w naszym eksperymencie, pomimo wyrównania ciśnień w otworze, warstwa cieczy o większej gęstości leżąca nad warstwą cieczy o mniejszej gęstości jest niestabilna i podlega słabym, przypadkowym zaburzeniom. Takie zaburzenia powodują niewielkie wybrzuszenie na styku dwóch płynów. Ze względu na różnicę gęstości część mniej gęstej cieczy znajduje się na starej powierzchni styku, a część gęstszej cieczy jest wypychana w dół. Ta niestabilność szybko wzrasta, oscylator solny zaczyna działać. Świeża woda, przenikając do góry, przyspiesza swój przepływ przez otwór, ponieważ jest lżejsza od słonej wody na tym samym poziomie po drugiej stronie otworu. Zaczyna bić fontanna słodkiej wody i przychodzi moment, w którym strumień ten zatrzymuje wypływ słonej wody. Pompowanie wody do kubka stopniowo prowadzi do wzrostu wysokości znajdującej się w nim cieczy i w konsekwencji do wzrostu ciśnienia na poziomie otworu. Utrata wody ze słoika nieznacznie zmniejsza poziom wody w nim, ponieważ słój jest szerszy niż kubek. Wreszcie przychodzi moment, w którym ciśnienie słonej wody w otworze staje się na tyle duże, że zmniejsza się, a następnie całkowicie zatrzymuje fontannę słodkiej wody. Cykl się skończył. W filiżance jest teraz za dużo wody i strumień pojawia się ponownie. Stopniowo przepływ maleje, aż ciśnienie na kryzie ponownie się wyrówna. Następnie jakieś przypadkowe zaburzenie ponownie powoduje wybrzuszenie na interfejsie - pojawia się fontanna świeżej wody. W ten sposób przepływ zmienia się: w górę lub w dół - jest to oscylator solny. Natężenie wypływu zależy od średnicy otworu w kubku i lepkości cieczy. Podobnie jak w poprzednim eksperymencie można spróbować innych płynów, ważne tylko aby różniły się gęstością i nie mieszały się jak np. alkohol z wodą. D. Walker relacjonuje, że próbował pracować z wodą lekko zabarwioną na niebiesko i roztworem melasy zabarwionym na czerwono i zaobserwował, według niego, niemal bajeczny spektakl. Do urządzenia oscylatora S. Martin użył strzykawki medycznej. Okres oscylacji wynosił w tym przypadku 4 sekundy, a okres pracy oscylatora wynosił 20 cykli. Nasz oscylator z aluminiowym wkładem z validolu, opuszczonym do szklanki do herbaty, pracował w cyklu 10-sekundowym przez godzinę.
Duży oscylator, złożony z pięciolitrowego słoika i polietylenowej butelki wybielacza Iskra-2, w roztworze soli fizjologicznej lekko słodzonej cukrem i mocno zabarwionej niebieskim tuszem, dawał długi strumień o cyklu 20 sekundowym. Oprócz wirowego „parasolu” na końcu sznurka, który pojawia się na początku każdego cyklu, można tu zaobserwować także pierścienie wirowe. Poruszają się w dół, wyprzedzając, przenikając się i rozmywając na samym dnie puszki. Niektóre pierścienie zostały sfotografowane.
Mówiliśmy o trzech eksperymentach opartych na różnicach w gęstości wody słonej i słodkiej. W przyrodzie ogromne znaczenie dla życia całego oceanu ma pionowe mieszanie się wód oceanicznych, spowodowane różnicą gęstości. Dzięki niemu ciepło słoneczne, pochłonięte przez cienką warstwę wody, rozprzestrzenia się w głąb. (Odniesienie z TSB: warstwa o grubości zaledwie 1 centymetra pochłania 94% energii słonecznej padającej na powierzchnię zwykłej wody morskiej, a solanka utworzyła strefę ciepłej wody o temperaturze 44,2 ° C i zasoleniu 123 gramów na kilogram. Zainteresowanie tymi Zagłębienia spowodowane są także tym, że w osadach dennych stwierdzono podwyższoną zawartość cynku, miedzi, ołowiu, srebra i złota – w 10-metrowej górnej warstwie osadów zgromadziły się one (według wstępnych szacunków) o wartości 2,5 miliarda dolarów . Radzieccy naukowcy brali także udział w badaniach tych zagłębień na statkach Akademik Siergiej Wawiłow i Witiaź. Naukowcy sugerują, że wiek solanki w zagłębieniach wynosi około 10000 XNUMX lat. Innym przykładem takiej anomalii jest jezioro Vanda na Antarktydzie. Bezpośrednio pod lodem woda w nim jest świeża, a jej temperatura wynosi 0°C, a na głębokości 220 metrów temperatura wody wynosi już 25°C, a zasolenie wynosi około 150 gramów na kilogram. Jak powstały zagłębienia solne? Jak dokładnie można określić wiek zawartej w nich solanki? Naukowcom trudno jest odpowiedzieć na te pytania. Aby to zrobić, należy nauczyć się obliczać szybkość mieszania konwekcyjnego gorących i gęstych solanek z mniej słoną zimną wodą znajdującą się na górze. Konieczne jest dokładne zbadanie mechanizmu działania „wielkiej łyżki” w oceanie. Literatura:
Autor: W.Łagowskij
▪ Peryskop zapewniający widoczność we wszystkich kierunkach
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Możesz spróbować jabłka ręką ▪ Robot punktowy Boston Dynamics ▪ Tablet Asus Transformer Pad Infinity z ekranem 2560x1600 i procesorem Nvidia Tegra 4 ▪ Która książka jest bardziej przyjazna dla środowiska?
▪ sekcja serwisu Ciekawostki. Wybór artykułów ▪ artykuł Połóż pod ściereczką. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Konserwacja pomp do mleka. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy ▪ artykuł Szalik. Sekret ostrości
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony