Почему пузырьки воздуха всплывают воде

Самостоятельная работа по физике Плавание тел 7 класс

Самостоятельная работа по физике Плавание тел 7 класс с ответами. Самостоятельная работа включает 2 варианта, в каждом по 5 заданий.

Вариант 1

1. Почему человек лежит на поверхности воды в Мертвом море?

2. У каких овощей плотность больше, чем у воды? Ответ обоснуйте.

3. Рыбы могут плавать на одной глубине, погружаться и всплывать. Как им это удаётся?

4. Почему жир в супе располагается на поверхности?

5. Корабль вышел из Днепра в Чёрное море. Как изменилась при этом архимедова сила?

Вариант 2

1. Почему пузырьки воздуха всплывают в воде?

2. Почему спасательные круги делают из пробки, а не из чугуна? Можно ли использовать для этих целей алюминий?

3. Что имеет большую плотность: вода или лёд? Докажите это.

4. Как осуществляется погружение и всплытие подводных лодок?

5. Почему нельзя тушить керосин и бензин водой?

Ответы на самостоятельную работа по физике Плавание тел 7 класс
Вариант 1
1. Человек лежит на поверхности воды в Мертвом море, т.к. плотность моря очень большая из-за повышенного содержания соли, и выталкивающая сила, действующая на человека, больше силы тяжести.
2. У овощей, которые тонут в воде, плотность больше, чем у воды.
3. Рыбы могут плавать, погружаться и всплывать, т.к. у них есть рыбий пузырь, с помощью которого они регулируют плотность своего тела, набирая и выпуская воду.
4. Жир в супе располагается на поверхности, т.к. плотность жира меньше плотности воды.
5. Осадка корабля при переходе из реки в море уменьшится, т.к. морская вода более плотная, чем речная, и значит выталкивающая сила больше.
Вариант 2
1. Пузырьки воздуха всплывают в воде, т.к. плотность воздуха меньше плотности воды.
2. Спасательные круги делают из пробки, т.к. плотность пробки меньше плотности воды, и они всплывают на поверхность. Если бы их делали из чугуна, то круги бы тонули, т.к. плотность чугуна больше плотности воды. Плотность алюминия также больше плотности воды, поэтому круги из алюминия не делают.
3. Лед всплывает на поверхность воды, поэтому плотность воды больше плотности льда.
4. На подводной лодке есть балластные цистерны, которые наполняются водой при погружении лодки. Плотность лодки увеличивается, и она тонет. При всплытии цистерны промываются воздухом, плотность лодки уменьшается, и она всплывает на поверхность.
5. Нельзя тушить керосин и бензин водой, т.к. плотность воды больше плотности бензина и керосина. Вода опустится на дно, и горение продолжится.

Источник

Откуда в кипящей воде пузыри?

Появление быстро лопающихся, бурлящих пузырей на поверхности указывает нам на то, что вода закипела. Стоит разобраться, что такое кипение, из каких фаз оно состоит и почему в воде образуются пузыри.

Что такое кипение?

Кипение – это процесс активного образования пара, который происходит внутри и на поверхности жидкости. Он может возникать только при условии определенного давления и температуры жидкости.

Вопреки распространенному мифу, соль не ускоряет кипение, а лишь увеличивает количество пузырьков – создает много парообразовательных центров

Исходя из этого, температура, при которой закипает жидкость, называется ее температурой или точкой кипения. У всех веществ данный показатель разный. Например, вода кипит при 100℃, спирт – при 78℃, ртуть – при 357℃.

Фазы кипения

Самый простой пример кипения – постепенное нагревание кастрюли с водой на кухонной плите. В скором времени можно заметить множество мелких пузырьков, которые поднимаются на поверхность. Они состоят из воздуха, газов, которые присутствуют в воде. Если кастрюля накрыта крышкой, на ней изнутри появится пар. Это значит, что жидкость нагревается – первая фаза (60-75℃).

Логично, что на самом дне емкости вода будет нагреваться быстрее, так как ближе всего находится к источнику тепла. Срабатывает режим конвекции: нагретая жидкость поднимается вверх, а более прохладная – опускается вниз. Происходит смешивание воды.

Стадии кипения воды

Далее нижний слой жидкости начинает понемногу испаряться – вторая фаза (75-90℃). Этот процесс сопровождается характерными звуками в виде жужжания, отрывистых гудков и т.п. Исходят они как раз из лопающихся в массе воды пузырей, которые уже стали намного крупнее. Поднимаясь со дна кастрюли, они соприкасаются с холодной водой и пар внутри пузырька конденсируется.

Если подача тепла не прекращается, вся вода становится примерно одинаковой температуры, начинается третья фаза. Теперь пузыри не конденсируются, могут свободно достигать поверхности и взрываться там. До этого момента шум воды нарастает, а затем начинает стихать. Лишь сейчас можно говорить о том, что жидкость кипит (100℃).

Интересно, что в бытовых условиях невозможно перейти к следующей фазе. Температура кипения достигнута, и вода будет просто испаряться. Но, например, в лаборатории можно продолжить повышение температуры с помощью горелки. При этом количество пузырьков станет настолько огромным, что все вместе они образуют столбы пара.

В данном случае говорят о пузырьковом кипении. Последующий нагрев запускает переходный режим. Что интересно, чем сильнее при этом повышается температура, тем медленнее происходит передача тепла воде. Дело в том, что на дне кастрюли формируется слой пара, который хуже передает тепло.

Эффект Лейденфроста

Постепенно он становится сплошным. Запускается фаза пленочного кипения – вода над слоем пара получает тепло очень медленно. Яркий пример этого явления – капля воды, пролитая на очень хорошо разогретую сковородку. Если температура емкости превышает температуру кипения воды, то капля не испарится мгновенно, а свернется в шарик и сможет просуществовать около минуты.

Данное явление описано немецким ученым Иоганном Готлобом Лейденфростом в 1756 г., поэтому сейчас оно так и называется – эффект Лейденфроста. Секрет бегающих по сковороде капель довольно прост. Попадая на разогретую поверхность, нижняя часть капли мгновенно испаряется и образует слой пара, который изолирует остальную жидкость на некоторое время.

Почему в кипящей воде образуются пузыри?

Что же вызывает появление пузырей в кипящей воде? В емкости имеются микроскопические трещины и впадины. Они служат центрами парообразования. Именно на этих шероховатых участках разрушаются водородные связи между молекулами.

Наружу высвобождается определенный объем пара. Пузырек постепенно увеличивается и отрывается от поверхности, однако на его месте образуется новый. Если поверхность емкости очень гладкая, вода может нагреться до 100℃, но так и не перейдет в стадию кипения. Такую жидкость называют перегретой. Она может вскипеть мгновенно в случае попадания примесей или толчка посуды.

Пузыри в кипящей воде – это растворенный в ней воздух. Его молекулы собираются в центрах парообразования, которыми служат микротрещины на дне емкости. Постепенно пузыри увеличиваются в размерах, отрываются от дна и лопаются на поверхности, а на их месте возникают новые.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Тонущие пузырьки

Физика движения жидкостей, особенно при наличии свободной поверхности, исключительно богата на явления. Со многими из них мы регулярно встречаемся в повседневной жизни; другие же могут показаться на первый взгляд противоестественными. Вот один пример такой ситуации.

Всем с детства известно, что пузырьки газа в стакане воды всплывают вверх. Создадим в этом объеме воды температурную инверсию: сделаем так, чтобы температура воды повышалась с глубиной. Строго говоря, жидкость с сильной температурной инверсией неустойчива, но при достаточно равномерном нагреве такая ситуация может держаться в течение некоторого времени. Для простоты будем считать, что жидкость остается неподвижной, что в стакане воды имеется один-единственный пузырек фиксированного радиуса, а также будем пренебрегать растворением газа в воде.

Задача

Докажите, что достаточно маленький пузырек воздуха будет в такой ситуации тонуть, а не всплывать. Оцените критический размер пузырька, при котором он начинает тонуть, если повышение температуры с глубиной составляет 5 градусов на сантиметр.

Подсказка 1

В нормальной ситуации пузырек всплывает потому, что на него действует выталкивающая сила. При наличии температурного профиля эта сила никуда не девается — значит, должна возникнуть другая сила, которая «тянет» пузырек в сторону более высокой температуры и противодействует выталкивающей силе. Вообще, тела обычно стремятся двигаться туда, где их общая потенциальная энергия (включающая как потенциальную энергию в поле тяжести, так и прочие виды энергии взаимодействия) меньше. Значит, надо найти некий эффект, который уменьшает общую потенциальную энергию пузырька при повышении температуры. Для этого надо подумать, какие относящиеся к задаче характеристики меняются с температурой и как именно, а затем извлечь ту, которая приводит к наиболее сильному эффекту.

Подсказка 2

Не забудьте, что коэффициент поверхностного натяжения уменьшается с ростом температуры.

Решение

В принципе, температура влияет на все характеристики воды, но главный эффект в этой задаче заключается в том, что с ростом температуры ослабевает ее поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение создает дополнительную потенциальную энергию пузырька, которую он старается минимизировать. Энергия поверхностного натяжения равна E = σS, где σ — коэффициент поверхностного натяжения, а S — площадь свободной поверхности. Обычно в задачах предполагается, что коэффициент постоянен, а площадь может варьироваться. По условию этой задачи, наоборот, площадь поверхности пузырька остается постоянной, но коэффициент σ уменьшается с ростом температуры.

И в том, и в другом случае потенциальная энергия поверхностного натяжения меняется при смещении, а значит, возникает сила, действующая на пузырек. Если при смещении на глубину Δh коэффициент поверхностного натяжения изменился на значение Δσ, а площадь осталась постоянной, то значение силы равно

В ситуации, когда σ уменьшается с глубиной, эта сила положительна (то есть направлена вниз, в сторону увеличения h), и она притопляет пузырек. Аккуратный анализ, в котором аккуратно учитывается механическое равновесие пузырька и точное распределение температуры вокруг него, дает вдвое меньший результат, но для простой оценки мы будем использовать полученную выше формулу.

Происхождение этой силы можно еще объяснить следующими механистическими рассуждениями. Силы поверхностного натяжения стягивают пузырек, а силы давления заключенного внутрь газа удерживают его от коллапса. Условно разделим пузырек на верхнюю и нижнюю половины. Поскольку температура вверху ниже, чем внизу, сила, стягивающая верхнюю полусферу, больше, чем сила, стягивающая нижнюю. Поэтому пузырьку выгоднее стягиваться наверху и растягиваться внизу. От этого возникает поток воды вокруг пузырька, который в результате и увлекает его вниз.

Запишем теперь выражение для суммарной силы (с учетом силы Архимеда), действующей на сферический пузырек радиуса R:

Выталкивающая сила пропорциональна объему пузырька, а притапливающая сила — площади поверхности. Поэтому при достаточно маленьком радиусе вторая сила переборет первую, и пузырек начнет тонуть. Оценить этот критический радиус можно, приравняв полную силу нулю:

Для численной оценки нужно узнать, как коэффициент поверхностного натяжения воды изменяется с ростом температуры (см. например эту таблицу). При комнатной температуре изменение составляет примерно 1% (то есть примерно 0,0007 Н/м) на 5 градусов. При температурном градиенте в 5 градусов на сантиметр глубины это дает критический радиус примерно 0,02 мм.

Послесловие

Прежде всего, отметим ту роль, которую сыграло условие фиксированного радиуса пузырька. В соответствии с уравнением состояния газа PV = νRT, объем пузырька зависит от температуры и давления. Не будь ограничения на радиус, пузырек бы при погружении нагревался и от этого расширялся (можно убедиться в том, что рост давления с глубиной при заданном температурном градиенте влияет на размеры пузырька гораздо слабее). Это приводило бы к дополнительной выталкивающей силе (как за счет смещения воды из-за роста объема, так и за счет увеличения энергии поверхностного натяжения из-за роста площади поверхности), и эта дополнительная сила могла бы перебороть обсуждаемую в этой задачи притапливающую силу. Зафиксировав размер, мы избежали всех этих тонкостей.

С точки зрения эксперимента, для наблюдения описанного в задаче эффекта тоже желательно устранить или хотя бы минимизировать изменение размеров пузырька. Поэтому соответствующие опыты ставятся не в открытых, а в замкнутых сосудах. Эти сосуды, как правило, очень плоские, и в них удается создать большой температурный градиент, порядка нескольких градусов на миллиметр.

Разобранный в этой задаче эффект был впервые наблюден экспериментально и обсужден теоретически в 1959 году в статье N. O. Young, J. S. Goldstein, M. J. Block. The motion of bubbles in a vertical temperature gradient // Journal of Fluid Mechanics, 6 (1959) 350–356. Он стал классическим примером термокапиллярных явлений, которые, в свою очередь, являются частным случаем эффекта Марангони (течения, вызванные неравномерностью коэффициента поверхностного натяжения). Все эти явления имеют очень важное прикладное значение, поскольку они влияют на движение пузырьков, капель или взвешенных частиц, а также на испарение жидкостей при их протекании в условиях сложного температурного профиля.

Источник

Обнаружены новые свойства воздушных пузырьков, возникающих при падении маленьких тел в воду

Падая в воду, стальной шарик увлекает за собой воздушный пузырек. Оказывается, поверхность этого пузырька покрывается рябью с удивительными свойствами.

Течение жидкости, поведение капель, струй и пузырей изучается уже не одно столетие, но несмотря на это новые открытия в гидродинамике регулярно появляются и в наши дни. И для этого не требуется особенно сложное оборудование — порой достаточно взять высокоскоростную видеокамеру и рассмотреть во всех деталях какой-нибудь быстро протекающий процесс.

Очередное исследование такого типа появилось на днях в журнале Physical Review Letters. Ученые из Стэнфордского университета (Stanford University) и Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University) бросали в воду маленькие стальные шарики и снимали происходящее на камеру (использовалась камера Phantom v5.0, Vision Research, в режиме 2000 кадров/сек). Одновременно с этим гидрофоны записывали звуковые сигналы, а также велся мониторинг давления в жидкости.

Наблюдения показали, что, если стальной шарик входит в воду на скорости более 1 м/с, происходит цепь интересных событий. Вначале шарик «выбивает» в воде узкую воздушную воронку. Эта воронка начинает сжиматься и смыкается примерно посередине высоты. Именно в этот момент раздается наиболее громкий «бульк». Нижняя половинка воронки становится после этого длинным и узким воздушным пузырем, который устремляется вниз за шариком.

Всё это было известно и раньше. Однако авторы этой работы заметили и новое интересное явление: на стенках воздушного пузыря отчетливо видна рябь. Самое поразительное ее свойство состоит в том, что воздушный пузырь стремительно движется вниз, вслед за шариком, однако рябь при этом стоит на месте. Это хорошо видно на серии снимков, сделанных через одинаковые промежутки времени и расположенных друг рядом с другом.

Изучив это явление подробнее, авторы обнаружили, что эта рябь начинается строго в тот момент, когда воздушная воронка смыкается, «запечатывая» пузырек воздуха (этому моменту соответствует первый кадр из серии фотографий). Как показали датчики, в это мгновение давление в пузырьке резко повышается, и, по мнению авторов, именно этот удар его дестабилизирует. Более того, обнаружилась связь между скоростью движения шарика, высотой издаваемого звука и длиной волны ряби. Проведенные авторами теоретические расчеты формы пузырька после его «запечатывания» в общих чертах подтверждают эти наблюдения.

Впрочем, на некоторые вопросы у авторов работы пока не нашлось ответа. Например, повторив опыты с маленькими тефлоновыми шариками, авторы с удивлением обнаружили, что рябь в этом случае обладает чрезвычайно странной формой (см. рисунок). Как образуется такая рябь и почему вообще форма ряби должна зависеть от материала, остается пока не понятым.

Источник: T. Grumstrup, J. B. Keller, A. Belmonte. Cavity Ripples Observed during the Impact of Solid Objects into Liquids // Physical Review Letters, 99, 114502 (12 September 2007); статья свободно доступна на сайте одного из авторов (Pdf, 450 Кб).

Источник