Студент объяснил загадку, которую не могли разгадать сто лет.
Сайт «Комсомольской правды». 2019 г.
«Студент Федеральной политехнической школы Лозанны Васим Дауади объяснил, почему пузырьки воздуха неподвижны в узкой вертикальной трубе с жидкостью, а не поднимаются вверх, как при открытии бутылки с минералкой.
Над этой загадкой исследователи бились 100 лет. Раньше считалось, что пузырек не движется потому, что прилипает к трубе. Оказалось, что образование воздуха все же движется, но очень медленно».
Это сообщение от 04 декабря 2019 многократно повторилось в интернете. Нам показались сомнительными некоторые детали методики экспериментальных наблюдений. Нам не удалось найти публикации по этой теме, в интернете встречаются только упоминания о «воздушных пробках» и способах борьбы с ними.
Актуальность проблемы состоит в том, что «воздушные пробки» и воздушные прослойки — это реально существующие проблемы при перемещении любых жидкостей по любым трубам. Потоки жидкостей затормаживаются в таких местах и для их преодоления требуется установка дополнительных насосов. Металл труб в этих местах быстрее ржавеет и линии рвутся. Теплосети не обеспечивают теоретически просчитанного тепломассопереноса.
Суть описанного явления заключается в том, что в тонких вертикальных трубках, заполненных водой, воздушные пузыри отказываются всплывать. Это частный случай явления, называемого «воздушными пробками». Воспроизвести его легко, для проведения поисковых наблюдений и измерений нетрудно подобрать необходимое оборудование.
Цель нашей работы — экспериментальное наблюдение поведения воздушных пузырьков в трубах разного диаметра, заполненных водой.
Исследования проведены в прозрачных полимерных трубках диаметром от 2,7 до 50 мм и длиной 40 см. Использовалась обычная водопроводная вода. Трубки подвешивались вертикально, нижний или верхний конец закрывался зажимом. Воздух вводился внизу трубки через иглу медицинского шприца. Размер пузырька задавался скоростью подачи воздуха.
|
|
|
|
|
а) |
б) |
в) |
Рис. 1: а) диаметр трубки 50 мм; б) диаметр трубки 2,7 мм; в) диаметр трубки 2,7 мм, высота 40 см
Основные результаты наблюдений .
1. В трубках диаметром более 5 мм воздушные пузырьки размером меньше диаметра движутся вверх, часто меняя форму (рис. 1а). Некоторые из них, касаясь стенок, прилипают к ним и далее поднимаются вверх скачками.
2. В трубках диаметром менее 3 мм пузырьки не всплывают, если их длина больше диаметра. Форма их показана на рис.1б.
3. В длинных трубках диаметром 2,7 мм пузырьки удлинённой формы не всплывают. Вода не вытекает из такой вертикальной трубки, если она открыта с одной стороны — вверху или внизу. но, если их длина уменьшается до размера диаметра трубки, они принимают шарообразную форму и всплывают.
4. Длительные наблюдения, проведены на длинной трубке диаметром 2,7 мм, заполненной водопроводной водой и закрытой вверху. Она содержала удлинённые чередующиеся пузырьки воздуха и воды. Положение пузырьков фиксировалось за это время 6 раз. Границы пузырьков отмечались на подложенном листе бумаги (см. рис. 1в). Трубка всё время была открыта внизу Изменения положений воздушных пузырьков и столбиков воды за время наблюдений изменялись. Результаты этих наблюдений представлены на рисунке и состоят в следующем.
— Вода из трубки не выливалась и положение пузырьков воздуха за три месяца почти не изменялось.
— Общее количество воды в трубке уменьшилось примерно вдвое (суммарная высота столбиков воды уменьшилась со 165 до 75 мм). Особенно сильно изменились нижние столбики, открытые для испарения[1].
— Изменились также высоты внутренних столбиков воды. Они не имеют поверхностей, открытых для испарения из трубки, поэтому их сокращение требует дополнительных объяснений.
Пузырьки заполнены насыщенным водяным паром. Его конденсация на стенках трубки особой роли не играет, но на верхнем и нижнем менисках каждого столбика воды она различна. Температура самого нижнего, открытого в атмосферу мениска ниже, чем верхнего, потому что с него шло испарение. Но тогда сам этот водяной столбик холоднее верхнего и тогда на его верхней поверхности конденсируется пар, испарившийся с верхней поверхности этого пузырька. В следующем воздушном пузырьке ситуация повторяется. Таким образом, во всех воздушных пузырьках температура вверху выше и с них жидкость, испаряясь и конденсируясь, перемещается вниз. Таким ступенчатым способом происходит испарение из внутренних запертых столбиков воды. Можно сказать, что путём испарения и конденсации жидкость направленно и очень медленно перемещается вниз. Что наглядно показывают результаты двухмесячных наблюдений.
Аналогично рассуждая, можно показать, что в трубке, закрытой внизу и открытой вверху, температура по высоте будет меняться в обратном порядке: здесь жидкость с внутренних столбиков будет испаряться по направлению вверх.
Постепенная убыль жидкости в столбиках приведёт к уменьшению гидростатического давления и нижние воздушные пузырьки, расширяясь, удлинятся.
Заключение. Длительные наблюдения не подтвердилиутверждение, содержащееся в ранее цитированной статье, о медленном подъёме воздушных пузырьков в тонких вертикальных трубках с водой «по очень тонкому слою жидкости на вертикальной стенке», т. е. обусловленных архимедовой силой. Наблюдаемые измененияразмеров, формы и положения менисков, а также чрезвычайно малую скорость этих изменений мы связываем с процессами испарения и конденсации насыщенного пара в пузырьках в направлении к любому из открытых концов трубки.
Литература:
1. Студенту удалось решить загадку по физике столетней давности. — Текст: электронный // Редакция «Российской газеты»: [сайт]. — URL: https://rg.ru/2019/12/03/zagadka-stoletnej-davnosti.html (дата обращения: 27.02.2025).
2. Матвеев А. Н. Молекулярная физика: учеб. пособие для вузов. — М.: Высшая школа, 1981.— 400 с., ил. — С. 262–278.
[1] Погрешность отметки уровней и размеров столбиков из-за менисков и различия температуры во время снятия показаний с прибора может быть 3–4 мм.
