Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

В середину узкого блюда, куда налиты аммиак и средство для мытья посуды, поместим капельку жидкого куриного жира от приготовленной курицы. Почему эта капелька пульсирует?

ОТВЕТ •В середине 1970-х годов этот эффект открыл Джеффри Мэй, преподаватель химии средней школы в Уэстоне. Он пытался отмыть сковородку, на которой жарил курицу. Мэй налил в сковородку горячую воду, а затем добавил нашатырный спирт и жидкое мыло. На поверхности воды образовались масляные линзочки (островки), начавшие пульсировать. Когда, чтобы приостановить испарение аммиака, он закрыл сковородку крышкой, пульсации прекратились. Мэй объяснил это явление, предположив, что благодаря взаимодействию молекул мыла и масла каждая линзочка имеет «мембрановидное» покрытие.

В других сходных системах тоже проявляются колебания поверхностного натяжения. В нашем случае аммиак медленно смывает масло с куриного жира, после чего оно диффундирует (постепенно распространяется) по воде. Наличие масла уменьшает поверхностное натяжение вокруг капли. Поскольку вдали от капли поверхностное натяжение больше, жидкость вокруг капли оттягивается от нее в радиальном направлении, заставляя саму каплю расширяться.

Однако растекающееся масло наталкивается на молекулы мыла на поверхности воды. Теперь частички масла окружены молекулами мыла, образующими похожую на пену структуру, которая называется афрон , где гидрофобные (отталкивающие воду) концы каждой молекулы мыла направлены в масло, а гидрофильные (притягивающие воду) концы выставлены в воду. Когда масло «попадает в ловушку», поверхностное натяжение воды возрастает, что заставляет каплю вернуться в исходное состояние.

Затем цикл «расширение — сжатие» повторяется, поскольку движение растекающегося по поверхности воды масла приводит к притоку в это место воды и аммиака. Следовательно, новая порция аммиака попадает на капельку жира, и начинается новый цикл. Закрытие крышки прекращает испарение аммиака с поверхности капли, стабилизирует его концентрацию и закрывает цепь обратной связи и, следовательно, колебания.

Когда темной ночью за окном завывает ветер, нам кажется, что вокруг дома бродит кто-то большой и страшный. Почему?

ОТВЕТ •Когда поток воздуха обтекает препятствия, особенно выступающие края крыши или углы дома, он разбивается на вихри, которые уносятся потоком воздуха. В вихрях возникают перепады давления, и они разбегаются в стороны в виде звуковых волн — это и есть вой ветра. На улице вы полностью в его власти, но и в доме он вас достанет, поскольку может проникнуть и через оконное стекло, и через двери и стены. Он может настичь вас даже под одеялом (рис. 3.1).

Рис. 3.1 / Задача 3.1

Когда сильный ветер дует поперек телефонных линий или линий электропередачи, вы слышите, как гудят провода. Если же ветер налетит на сосновый лес, слышно, как шелестят сосновые иголки. Откуда появляются эти звуки? Если вы окажетесь осенним днем в сосновом бору, этот шелест, приходящий и уходящий вместе со случайными порывами сильного ветра, успокоит ваши нервы.

ОТВЕТ •Когда ветер обдувает тонкий цилиндр, например провод или сосновую иголку, за ним ниже по течению воздушного потока образуются вихри. Говорят, что с цилиндра срываются вихри — сначала с одного бока, потом с другого, потом опять с первого и так далее. Образование вихрей изменяет давление воздуха, и цепочка изменений давления распространяется вниз по течению потока от цилиндра и образует звуковую волну — так называемый тон эоловой арфы . Когда вы слышите какой-то звук, на самом деле вы чувствуете изменения давления воздуха из-за отрыва вихрей. Чем быстрее движется поток воздуха, тем чаще возникают эти изменения и тем выше частота звука.

Как и гитарная струна, цилиндр может колебаться на так называемых резонансных частотах. Если частота изменений давления случайно совпадет с одной из резонансных частот цилиндра, он тоже начнет колебаться на этой частоте. И тогда колеблющийся цилиндр сам будет излучать звуковые волны, и эти его колебания могут стабилизировать частоту отрыва вихрей и поддерживать ее на постоянном уровне, даже если скорость потока воздуха слегка изменится. Когда провода в телефонных линиях и линиях электропередачи колеблются, говорят, что они пляшут. Это довольно опасно, поскольку сильная вибрация может сорвать крепления проводов к столбам или опорам, особенно если провода обледенели.

Гудение телефонных проводов бывает особенно пронзительным и громким в очень холодные дни, когда из-за низкой температуры длина проводов уменьшается и они сильнее натягиваются между опорами. Если провода начнут плясать, их колебания могут передаться опорам, те тоже начнут вибрировать, и шум усилится.

Каким образом человек издает свист, иными словами, как производится свистящий звук? Как при кипении свистит чайник со свистком? Люди изобрели множество разных свистков, в число наиболее известных входят английский полицейский свисток, американский полицейский свисток и многочисленные музыкальные инструменты, издающие звуки так же, как при свисте.

ОТВЕТ •Свист включает в себя три фазы: 1) поток воздуха встречает на своем пути препятствие и разбивается на вихри; 2) вихри вызывают периодические изменения давления воздуха, и это способствует распространению звуковой волны, которую мы и слышим, причем либо сами вихри, либо перепады давления в звуковой волне соединены обратной связью с набегающим на препятствие потоком воздуха; 3) если поток воздуха нестабилен (то и дело меняет направление или скорость), эта обратная связь еще больше усиливает нестабильность потока, а значит, увеличивается и количество возникающих на препятствии вихрей. Как только процесс образования вихрей и процесс обратной связи переходят в установившийся режим, мы слышим устойчивый звук, то есть свист.

Если вы свистнете, вытянув губы трубочкой, раздастся так называемый звук сопла — вихри формируются, когда воздух с силой проталкивается через узкое отверстие, образованное губами. Их возникновению способствует то, что скорость потока в центре отверстия выше, чем по периметру — у губ. Часть звуковых волн, образованных вихрями, возвращается в рот (в вокальный тракт ). Частота этого возвратившегося звука зависит от скорости, с которой вихри вылетают наружу через губы. В вокальном тракте на некоторых частотах, называемых формантами , звук может попасть в резонанс с собственными частотами тракта. Это означает, что волны будут усиливать друг друга, а не гасить. Если резонанс возникает на какой-то частоте — это и есть та частота, которую мы услышим.