Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

где для пузырька воздуха γ = 7/5. Поверхностное натяжение σ в эту формулу не вошло: его роль становится существенной лишь в случае достаточно малых пузырьков.

Эти наблюдения, сделанные в результате произнесения авторами многочисленных тостов, тем не менее остаются эмпирическими. Эксперименты, проведенные в Университете Париж VII, позволили более точно изучить распространение звука в газированной жидкости. Исследователи, очевидно, использовали для своих экспериментов не шампанское, а содержащую пузырьки воздуха воду. Они обнаружили, что достаточно даже низкой концентрации воздушных пузырьков (порядка одного пузырька диаметром в миллиметр на кубический сантиметр жидкости), чтобы снизить скорость звука в несколько раз (порядка 10) и существенно смягчить слышимый звук. Влияние наличия пузырьков на скорость звука легко выяснить: последняя определяется комбинацией где χ – сжимаемость (адиабатическая) среды, а ρ – ее плотность. Наличие небольшого количества пузырьков мало влияет на плотность жидкости (в рассмотренном выше случае – шампанского), в то время как сжимаемость, крайне низкая при отсутствии пузырьков, с их добавлением заметно увеличивается. Что же касается затухания звука в слышимом диапазоне, то это явление во многом связано с резонансом отдельных пузырей в жидкости. Ниже мы рассмотрим это явление подробнее.

3. Пузырьки спонтанно образуются в бокале шампанского (см. главу 14, «Пузырьки шампанского»). Их средний диаметр составляет около 0,5 мм. Из-за их наличия звон бокала оказывается более приглушенным

Как мы уже выяснили, пузырьки в жидкости рассеивают звуковые волны, однако при этом они и сами способны издавать звук! Бормотание ручья, большая часть создаваемого потоком шума и песнь закипающей воды (см. главу 15, «Пение кипящей воды») порождаются именно ими. Чтобы понять это, рассмотрим пузырек диаметром в несколько миллиметров, образующийся при впрыскивании воздуха в большой объем воды. Оторвавшись от трубки, пузырь некоторое время колеблется, тем самым создавая вокруг себя звуковые волны. Основная частота колебаний называется частотой Миннарта, в честь бельгийского ученого Марсела Миннарта (1893–1970), указавшего на музыкальные способности пузырьков еще в 1933 году. Для пузырьков воздуха в воде радиусом в несколько миллиметров при атмосферном давлении эта частота принадлежит к слышимому диапазону звуков и составляет нескольких килогерц (см. врезку выше).

Человечество с каждым годом потребляет все больше энергии – для отопления, нужд транспорта и промышленности. Электрические приборы неудержимо вторглись в нашу повседневную жизнь; электричество, словно покорная служанка, всегда к нашим услугам – стоит лишь подключить прибор к розетке или нажать выключатель. Но смогут ли нынешние способы производства энергии удовлетворять постоянно растущий спрос? И как скажется это на экологии? В конечном итоге необходимость снабжения энергией все большего числа устройств может стать для человечества невыносимым бременем. Давайте обсудим несколько путей, которые позволят этого избежать.

В середине XX века нашим предкам рассказывали в школе, что во Франции есть угольные шахты, а также гидроэлектростанции. Шестьюдесятью годами позднее шахты были закрыты, а плотины, хотя их число возросло, обеспечивают лишь небольшую долю энергии, необходимой для экономического роста. Во Франции автомобили потребляют топливо, закупаемое в других странах, что является главной причиной дефицита торгового баланса. Сжигание этого топлива способствует усилению парникового эффекта (см. главу 7, «Температура Земли»). Электроэнергия во Франции вырабатывается главным образом атомными электростанциями. Они также используют импортируемое «топливо» – уран. Но и мировые запасы урана, которыми пользуется человечество, ограничены, их хватит примерно на столетие… Как и многие другие страны, Франция находится в состоянии полной энергетической зависимости, что, наряду с постепенным истощением мировых ресурсов, вызывает тревогу. К каким еще источникам энергии можно обратиться? Первое, что приходит на ум, – это солнечная энергия (см. главу 28). К сожалению, у нее есть существенный недостаток – она недоступна в ночное время. Энергия ветра, на которую сильно полагается Дания, также непостоянна… Заманчивым решением, которое уже практикуется в некоторых странах, представляется производство ядерного топлива «дома», на атомных электростанциях, действующих на так называемых реакторах-размножителях (илл. 1). Этот удивительный метод не может не вызывать интерес, но, как мы увидим, увы, и он имеет свои недостатки.

1. Атомная электростанция «Суперфеникс» (1200 МВт) в Крей-Мальвиль, между Лионом и Шамбери, работавшая некоторое время в конце XX века

В настоящее время использование ядерной энергии в основном осуществляется следующим образом. В реакторе происходит преобразование топлива, урана, в более легкие элементы – точнее, каждое ядро урана расщепляется на два легких ядра; этот процесс называется делением . В процессе реакции деления выделяется огромное количество энергии, в чем и состоит наша выгода. Если сравнить энергию, высвобождаемую при ядерном делении, с энергией, получаемой при сжигании нефти, грамм урана сопоставим… с более чем тонной нефти!

В ядерном реакторе (илл. 2) получаемое в процессе деления ядер тепло передается первой жидкости, называемой теплоносителем, которая, в свою очередь, отдает его воде, а та уже испаряется. Образовавшийся пар, воздействуя на лопасти турбины, приводит ее в движение; по тому же принципу были устроены и паровозы первой половины XX века, двигатель которых работал благодаря давлению пара на поршень! Механическая энергия турбины далее преобразуется в электрическую посредством генератора переменного тока. Полученная электроэнергия доставляется потребителям, находящимся порой за сотни километров от АЭС.

2. Принцип действия реактора, охлаждаемого водой под давлением. Слева, в ядерном реакторе (желтый), выделяется тепло. Оно передается жидкому теплоносителю, показанному красным цветом, который, в свою очередь, передает тепло воде. Та испаряется, приводя в действие турбину, подключенную к генератору переменного тока, который уже преобразует механическую энергию в электрическую. После турбины пар в конденсаторе снова обращается в воду. Неиспользованное тепло отводится через охладитель