Фокусы на основе законов физики: поучительное шоу
Благодаря фокусам на основе физики, можно удивить и научить самую молодую аудиторию!
Фокусы – это невероятно интересно, необычно. Мы все привыкли понимать под фокусами необъяснимое нарушение законов физики.
Но оказывается, что настоящую магию можно творить, как раз используя эти законы, а не нарушая их. Окружающий мир полон загадок. Сама природа может порой творить чудеса, поражающие воображение человека.
Фокусы по физике – это настоящие чудеса природы.
Физические фокусы могут не только быть частью развлекательной программы, но и помочь в обучении.
Обратите внимание
Показывая эти трюки детям, можно научить их каким-то классическим физическим законам и заинтересовать их в таком сложном предмете.
В любом случае, знания физики могут помочь вам стать для вашей публики настоящим волшебником. И плюс их в том, что они не строятся на обмане. Чтобы раскрыть секрет фокусника, внимательность не поможет, нужно обладать немалой эрудицией.
Что же необычного может открыть нам физика?
Антигравитация
Вытащить пробирку из заполненного водой сосуда у зрителей не получится
Для этого опыта вам понадобится вода и две пробирки (если пробирок нет, подойдут любые два маленьких, лёгких, стеклянных вытянутых сосуда). Причём одна ёмкость должна быть немного больше другой, так, чтобы первая входила во вторую с зазором не больше сантиметра.
Фокус этот лучше показывать там, где будет не страшно немного залить пространство водой:
- Вы наливаете воду в одну пробирку, а потом опускаете вторую в наполненный сосуд. Часть воды, естественно, выльется.
- Потом вы переворачиваете две ёмкости и отпускаете край второй. А зрители с удивлением наблюдают, как внутренняя пробирка втягивается во внешнюю.
- Потом попробуйте дать конструкцию кому-нибудь из публики, и попросите вытащить одну пробирку из другой. Наверняка, у зрителя ничего не получится.
Секрет в воде. Именно она не даёт стеклянным поверхностям разъединяться и, как клей, удерживает их. Чтобы убедиться в силе воды, можете взять два стёклышка, намочить их и соединить. Разъединить их вы сможете только через стороны, проведя одно по другому.
Самосжимающаяся банка
«Волшебное» сжатие банки удивит кого угодно!
Вам понадобится обычная жестяная банка из-под газировки (естественно, пустая).
Для фокуса лучше заранее заготовить пробку, который вы будете затыкать отверстие (важно, чтобы пробка закупорила банку абсолютно герметично, чтобы воздух не мог ни выходить из банки, ни проникать в неё), и большую ёмкость с холодной водой.
Почему это происходит? Объясняется феномен особыми свойствами воды и воздуха. Вода при нагревании расширяется, а при охлаждении сужается (имеется ввиду лёгкое охлаждение, а не замерзание жидкости).
Точно так же, как и воздух. Когда мы нагрели жестянку, вода внутри расширилась. Мы закупориваем её и опускаем в холодную среду.
Под воздействием низкой температуры воды вода и воздух внутри сужаются.
Воздух – это газ. А у газа есть свойство – он всегда заполняет весь объём сосуда, в котором находится. Итак, вода и воздух сжимаются, а так как воздуху надо заполнить всё пространство ёмкости, он начинает воздействовать на края банки. Жесть – достаточно гибкий материал, поэтому она легко сжимается.
И это только ничтожная капля в том море чудес, которые можно творить, зная законы физики. Наша природа и её особенности поистине удивительны. Зная то, что не знают другие, вы сможете удивлять окружающих простыми, закономерными вещами.
Одному физическому опыту можно научиться из этого видео:
Физические свойства жидкости
Основы гидравлики
Гидравлика – наука, изучающая законы равновесия и механического движения жидкостей и разрабатывающая методы применения этих законов для решения различных прикладных задач. Слово «гидравлика» означало сначала учение о движении воды по трубам. «Хюдор» – вода, «аулос» – труба, желоб (греч.).
Гидравлика – техническая механика жидкостей, при решении практических задач широко используются те или иные допущения, упрощающие рассматриваемый вопрос. Поэтому гидравлические решения сплошь и рядом носят приближенный характер.
Очень часто они основываются на результатах экспериментов – используются эмпирические и полуэмпирические формулы.
При этом стремятся к оценке только главных характеристик изучаемых явлений и часто оперируют теми или иными осредненными величинами.
Экспериментальные исследования в гидравлике имеют важное значение. Еще Леонардо да Винчи по этому поводу заметил: «Всякий раз, когда имеешь дело с водой, прежде всего обратись к опыту, а потом уже рассуждай».
Кроме гидравлики (технической механики жидкостей), вопросы покоя и движения жидкостей изучает теоретическая гидромеханика, имеющая строго математический характер. Эти решения не всегда могут быть применимы для расчетов, но они помогают раскрывать общие закономерности изучаемых явлении.
В настоящее время почти во всех областях техники, в том числе и в пищевой промышленности, применяются различные гидравлические устройства. Без гидравлики практически невозможно было бы проектирование и применение различных аппаратов, машин и механизмов.
Гидравлика является одной из древнейших наук, развивающейся более XX веков. Первым научным трудом в области гидравлики считается трактат Архимеда (III век до н. э.) «О плавающих телах…».
Важно
Теория, изложенная в этом труде, до сих пор лежит в основе учения о равновесии плавающих тел, хотя сведения о некоторых гидравлических законах были известны и ранее, т. к. до этого строились каналы, водопроводы и т. п.
В Древнем Египте, Индии, Китае были построены каналы и водохранилища грандиозных по тем временам размеров.
Вот некоторые их характеристики: глубина некоторых водохранилищ в Древней Индии достигала 15 м; в Китае Великий канал длиной 1800 км (сооружен около 2500 лет назад); в Риме городской водопровод, часть из которого до сих пор существует и используется (построен около 2300 лет назад).
Некоторые каналы, построенные в низовьях Аму-Дарьи используют по сей день после реставрации и реконструкции. В Х – ХI веках на Руси уже существовали водопроводы из гончарных и деревянных труб.
Возрождение и подъем в развитии гидравлики начался только через 17 веков после Архимеда. В XV – XVI вв. Леонардо да Винчи написал работу «О движении и измерении воды» — опубликована она только через 400 лет. С. Стевин опубликовал «Начала гидравлики», Галилео Галилей в 1612 г. в трактате «Рассуждение о телах, пребывающих в воде…
» рассмотрел основные законы плавания и гидростатический парадокс. Е. Торичелли получил формулу скорости истечения невязкой жидкости из резервуаров через отверстия. Б. Паскаль открыл закон о передаче давления в жидкости, на основе которого были созданы простые гидростатические машины. Исаак Ньютон в 1686 г.
сформулировал гипотезу о внутреннем трении в жидкости.
Однако указанные работы касались только отдельных разделов гидравлики, несмотря на попытку Леонардо да Винчи связать гидравлические законы с механическими.
Формирование гидравлики как науки на прочной теоретической основе стало возможным после публикации работ членов Российской Академии: М. В. Ломоносова, Д. Бернулли (инженерная гидравлика), Л.
Эйлера (классическая гидромеханика), таким образм, их можно рассматривать как основоположников гидравлики.
Совет
Ломоносов в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» сформулировал открытые им законы сохранения вещества и энергии. Бернулли в 1738 году опубликовал выведенное им уравнение, которое служит основой теоретических построений и практических расчетов в гидравлике, в гидродинамике. Ломоносов изобрел универсальный барометр, вискозиметр.
Первый справочник по гидравлике издал А. Колмаков в Петербурге. Книга называлась «Карманная книга для вычисления количества воды, протекающей через трубы, отверстия…».
Велики заслуги зарубежных ученых Шези, Дюбуа, Вентури, Вейсбаха, Базена, Рейнольдса и других; русских и советских ученых Громеко И. С., Менделеева Д. И. (заключение о наличии 2-х режимов движения), Петрова Н. П., Жуковского Н. Е. (гидравлический удар, теория в области фильтрации). Жуковский – основатель научной школы аэродинамики.
Жидкость. Основные понятия
Жидкость представляет собой физическое тело, в котором силы межмолекулярного сцепления меньше, чем у твердых тел. Поэтому частицы жидкости легкоподвижны и приобретают как поступательное, так и вращательное движение, различают капельные и газообразные жидкости.
Капельные жидкости характеризуются большим сопротивлением сжатию, практически полной несжимаемостью, малым сопротивлением растягивающим и касательным усилиям, что обусловлено незначительностью сил сцепления и сил трения между частицами жидкости и незначительной температурной расширяемостью.
К капельным жидкостям относят воду, нефть, глицерин, бензин, спирт и т. д. Газообразные жидкости изменяют свой объем под влиянием указанных факторов в значительной степени, поэтому в гидравлике рассматривают обычно капельные жидкости, а газообразные рассматриваются в термодинамике и аэродинамике.
При изменении давления или температуры жидкое тело может переходить в твердое или газообразное.
Таким образом, жидкость есть физическое тело, обладающее двумя отличительными свойствами:
Обратите внимание
1. Она весьма мало изменяет свой объем при изменении давления или температуры (сходна в этом с твердыми телами).
2. Она обладает текучестью, благодаря чему жидкость не имеет собственной формы и принимает форму того сосуда, в который она помещена (в этом она сходна с газом).
Жидкость настолько подвижна, что может течь под действием силы тяжести. Текучесть обусловлена тем, что в покоящемся состоянии она не способна сопротивляться внутренним касательным усилиям. Жидкость в покое не может иметь касательных напряжений и поэтому принимает форму сосуда, в который заключена.
Как показывает опыт, жидкости, встречающиеся в природе, столь мало изменяют объем при изменении давления р и температуры Т, что этим изменением можно пренебречь и рассматривать ее как абсолютно несжимаемое тело. В газах же этими свойствами пренебрегать нельзя.
В движущейся жидкости касательные напряжения имеют место. Именно при движении по поверхности скольжения жидких слоев друг по другу возникает трение, которое уравновешивает внутренние касательные силы.
Свойство жидкости, обусловливающее возникновение в ней при движении касательных напряжении, называется вязкостью.
При аналитических исследованиях для облегчения решения многих задач гидравлики часто пользуются понятием идеальной жидкости. Идеальной жидкостью называют воображаемую жидкость, которая характеризуется:
— абсолютной неизменяемостью объема при изменении давления или температуры (абсолютно несжимаемое тело);
— абсолютной подвижностью частиц, т. е. полным отсутствием вязкости, сил трения при ее движении.
Идеальная жидкость в отличие от реальной жидкости в природе не существует. Ее создают в воображении как чисто отвлеченную модель жидкой среды.
Важно
Но рассматривая вместо реальной жидкости идеальную, мы в ряде случаев не делаем большой ошибки. Только пренебрежение вязкостью может дать более или менее существенное расхождение с действительными условиями.
Физические свойства жидкости
Состояние и поведение применяемых в технике и производстве жидкостей находится в непосредственной зависимости от их физических свойств. Поэтому хотя физические свойства жидкостей изучаются в физике, но при расчетах в гидравлике пользуются некоторыми физическими характеристиками жидких тел, которые мы рассмотрим.
Плотность характеризует распределение массы жидкости или газа по объему . В произвольной точке А плотность
,
где – элементарная масса, заключенная в элементарном объеме , который стягивается в точку А.
Плотность однородной жидкости равна отношению массы жидкости к занимаемому ей объему :
.
Размерность плотности , где – единицы массы, а – единицы длины. В системе СИ – в технической системе .
Плотность жидкостей зависит от температуры и давления. Все жидкости, кроме воды, характеризуются уменьшением плотности при росте температуры. Плотность воды максимальна при t=4°С, в этом аномальность ее поведения. Для условий основных гидравлических расчетов плотность воды можно принимать равной 1000 .
Удельный вес однородной жидкости определяется как отношение веса жидкости (газа) к занимаемому объему :
.
Учитывая, что , получим зависимость между плотностью и удельным весом, используемую в расчетах.
то есть .
Единицы удельного веса в системе СИ: .
Относительным удельным весом жидкости называется отношение удельного веса жидкости при температуре t к удельному весу воды при температуре 4°С:
.
Сжимаемость – свойство жидкостей изменять свой объем при изменении давления – характеризуется коэффициентом объемного сжатия (сжимаемости), представляющим относительное изменение объема жидкости, при изменении давления на единицу:
,
где – изменения объема и давления;
– соответственно объемы жидкости при конечном и начальном р давлениях.
Совет
Знак (-) указывает на то, что положительному приращению давления (увеличению) соответствует отрицательное приращение (уменьшение) объема .
Учитывая неизменность массы, можно представить несколько в ином виде:
и тогда ,
где является изменением плотности;
– плотность при конечном давлении ;
– плотность при начальном давлении р.
То есть коэффициент объемного сжатия определяет также относительное изменение плотности при изменении давления на единицу.
Величина, обратная объемному коэффициенту сжатия, называется объемным модулем упругости жидкости.
,
или ,
откуда .
Эти уравнения выражают закон Гука для жидкостей.
Объемный модуль упругости жидкости зависит от температуры и давления, поэтому жидкости не всегда точно следуют закону Гука.
Сжимаемость жидкостей незначительна и в рассматриваемых в гидравлике явлениях, позволяет считать её несжимаемой, кроме отдельных случаев, которые оговариваются отдельно, например, гидравлический удар.
То есть это можно утверждать, когда давление незначительно. Но если бы вода была действительно абсолютно несжимаемой, то уровень воды в океанах поднялся примерно на 30 м.
Температурное расширение – это свойство жидкостей изменять свой объем при изменении температуры. Характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения (температурного расширения), представляющим относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на единицу и при постоянном давлении:
,
где – изменение объема жидкости,
– изменение температуры жидкости,
– соответственно объемы жидкости при конечной и начальной температурах.
Вязкостьпредставляет собой свойство жидкости сопротивляться сдвигу (или скольжению) ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхности их соприкосновения возникают силы сопротивления, называемые силами внутреннего трения, или силами вязкости. Происходит взаимное «торможение» и «ускорение» соседних слоев.
Силы внутреннего трения впервые обнаружены Ньютоном. Он установил пропорциональность между силой внутреннего трения, площадью соприкосновения и относительными скоростями перемещения слоев. Н. П. Петров в 80-годы ХIХ в. экспериментально подтвердил это и математически сформулировал в виде следующей зависимости, носящей название закона Ньютона-Петрова:
,
где – сила внутреннего трения слоев жидкости,
– площадь соприкасающихся слоев,
– динамический коэффициент вязкости,
– разность скоростей двух соседних слоев жидкости, расположенных на расстоянии друг от друга по нормали.
Поясним эти величины. Пусть между двумя пластинами и , одна из которых неподвижна, залита жидкость (рис. 1). Пластина , двигаясь со скоростью , увлекает за собой прилежащий слой с такой же скоростью. Следующие слои будут двигаться с несколько другими скоростями, которые меньше из-за сопротивления жидкости.
Рисунок 1 – К определению силы внутреннего трения
Обратите внимание
Если слой имеет скорость , а слой – скорость , то а расстояние между ними по нормали .
Знак (+) или (-) в формуле Ньютона–Петрова для расчета силы внутреннего трения выбирается в зависимости от направления отсчета скоростей и расстояний (от движущейся пластины или от неподвижной). Сила трения при этом должна быть положительной.
Касательным напряжением называется сила , приходящаяся на единицу площади , то есть:
.
Дальнейшие исследования показали, что численное значение касательного напряжения, возникающего вследствие действия силы внутреннего трения, равно:
,
где – скорость деформационного сдвига.
Но с другой стороны, скорость деформационного сдвига равна градиенту скорости по нормали.
то есть .
Рисунок 2 – Деформация жидкого прямоугольника
На рисунке 2 показана деформация жидкого прямоугольника ABCD. За время он трансформируется в параллелограмм A'B'C'D'. Точка A пройдет путь , а точка B .
Динамический коэффициент вязкости имеет физический смысл – это сила трения, возникающая при единичных площади и градиенте скорости .
Динамическая вязкость имеет размерность или в системе СИ (в системе – Пуаз; в технической системе кГс×с/м2).
Важно
В гидравлических расчетах, кроме динамической вязкости, широко используется кинематическая вязкость (кинематической вязкость называется, т. к. в размерность входят только кинематические, а не динамические величины). Динамическая и кинематическая вязкость связаны между собой следующим соотношением:
,
где – плотность жидкости.
Размерность в системе СИ (сГс — стокс=см2/с).
Отметим, что для жидкостей при увеличении температуры и уменьшаются примерно по экспоненциальному закону.
Жидкости, для которых справедлив закон Ньютона, называются ньютоновскими. Однако существуют жидкости, для которых связь между и скоростью сдвиговой деформации выражаются другими соотношениями. Такие жидкости относятся к неньютоновским.
|
следующая лекция ==>
Озеленение водоемов.
|
Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 8331; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Тест о физических свойствах жидкостей
Форма воды: Тест о физических свойствах жидкостей
12 вопросов 01.02.2018
Вода — это, казалось бы, самая обычная субстанция, о которой мы знаем всё, ведь мы соприкасаемся с ней каждый день. Однако вода обладает множеством невероятных свойств, благодаря которым она и является основой жизни на земле. Посмотрите на поразительные опыты с водой и угадайте, благодаря каким её свойствам они возможны.
Удивительным образом вода может течь в направлении, противоположном направлению силы тяжести. Как такое возможно?
Это происходит из-за того, что на самом деле вода не испаряется — за счёт особых связей между её молекулами, а различные пористые предметы, вроде тряпок, сеток и тканей, разрушают эти связи, и вода начинает активнее испаряться и тут же оседать на них.
Нет, адгезия (сильная связь между поверхностями разнородных тел) притягивает молекулы воды к ткани, а капиллярная структура ткани позволяет воде подниматься наверх, так как пары жидкости оседают на поверхности ткани, а не давят на поверхность воды. Так что правильный ответ — третий.
Из-за пористой структуры ткани туда проникает меньше воздуха, и там меньше давление, так что вода может легко в неё «всасываться».
Нет, адгезия (сильная связь между поверхностями разнородных тел) притягивает молекулы воды к ткани, а капиллярная структура ткани позволяет воде подниматься наверх, так как пары жидкости оседают на поверхности ткани, а не давят на поверхность воды. Так что правильный ответ — третий.
Это связано с тем, что, из-за сильного притяжения между молекулами воды и молекулами, из которых состоят ткани, вода стремится растечься по поверхности ткани.
Совет
А её пористая структура способствует этому процессу, так как молекулы воды меньше связываются друг с другом и больше — с тканью.
Да, адгезия (сильная связь между поверхностями разнородных тел) притягивает молекулы воды к ткани, а капиллярная структура ткани позволяет воде подниматься наверх, так как пары жидкости оседают на поверхности ткани, а не давят на поверхность воды.
Это просто иллюзия, на самом деле такого не происходит.
Нет, вы можете наблюдать это явление каждый раз, когда какая-нибудь ткань впитывает жидкость. Адгезия (сильная связь между поверхностями разнородных тел) притягивает молекулы воды к ткани, а капиллярная структура ткани позволяет воде подниматься наверх, так как пары жидкости оседают на поверхности ткани, а не давят на поверхность воды. Так что правильный ответ — третий.
В этом видео вода удивительным образом не выливается из перевёрнутого сосуда. За счёт чего это происходит?
Вода стремится впитаться в сетку, как в предыдущем эксперименте, и благодаря этому не вытекает.
Нет, вода образует более сильные связи с молекулами сетки, чем с собственными.
Благодаря чему поверхностное натяжение воды, ограничивающее её поверхность, распределяется по маленьким ячейкам и становится более стабильным. Таким, что может препятствовать выливанию.
Из-за этого процесса, например, вода выливается из перевёрнутой бутылки не ручьём, а небольшими всплесками. Так что правильный ответ — второй.
Взаимодействуя с сеткой, вода образует маленькие плёнки, как при надувании мыльных пузырей, и поверхностное натяжение препятствует вытеканию воды из сосуда.
Обратите внимание
Да, вода образует более сильные связи с молекулами сетки, чем с собственными. Благодаря чему поверхностное натяжение воды, ограничивающее её поверхность, распределяется по маленьким ячейкам и становится более стабильным. Таким, что может препятствовать выливанию.
Из-за этого процесса, например, вода выливается из перевёрнутой бутылки не ручьём, а небольшими всплесками.
Это не просто вода, а специальная, более вязкая жидкость.
Нет, это обычная вода, просто она образует более сильные связи с молекулами сетки, чем с собственными.
Благодаря чему поверхностное натяжение воды, ограничивающее её поверхность, распределяется по маленьким ячейкам и становится более стабильным. Таким, что может препятствовать выливанию.
Из-за этого процесса, например, вода выливается из перевёрнутой бутылки не ручьём, а небольшими всплесками. Так что правильный ответ — второй.
Это на самом деле просто трюк — воде мешает вытекать стекло.
Нет, вода образует более сильные связи с молекулами сетки, чем с собственными.
Благодаря чему поверхностное натяжение воды, ограничивающее её поверхность, распределяется по маленьким ячейкам и становится более стабильным. Таким, что может препятствовать выливанию.
Из-за этого процесса, например, вода выливается из перевёрнутой бутылки не ручьём, а небольшими всплесками. Так что правильный ответ — второй.
Благодаря чему возможны многослойные коктейли как в этом видео?
В эти жидкости добавлено специальное вещество, которое не позволяет им смешиваться.
Важно
Нет, вещества с разной плотностью плохо смешиваются друг с другом, так как притяжение между молекулами одинакового вещества в них больше, чем притяжение между молекулами разных веществ. Поэтому они обычно расслаиваются. Правильный ответ — второй.
У этих жидкостей разная плотность, поэтому они плохо смешиваются друг с другом.
Да, вещества с разной плотностью плохо смешиваются друг с другом, так как притяжение между молекулами одинакового вещества в них больше, чем притяжение между молекулами разных веществ. Поэтому они обычно расслаиваются.
У этих жидкостей разная вязкость, поэтому они не смешиваются друг с другом.
Нет, вещества с разной плотностью (от которой может зависеть и вязкость) плохо смешиваются друг с другом, так как притяжение между молекулами одинакового вещества в них больше, чем притяжение между молекулами разных веществ. Поэтому они обычно расслаиваются. Правильный ответ — второй.
Это просто специальные жидкости, которые в принципе не смешиваются.
Важно
Нет, вещества с разной плотностью плохо смешиваются друг с другом, так как притяжение между молекулами одинакового вещества в них больше, чем притяжение между молекулами разных веществ. Поэтому они обычно расслаиваются. Правильный ответ — второй.
А как так получается, что в одной паре бутылок горячая вода смешивается с холодной, а в другой нет?
У тех жидкостей, которые не смешиваются, просто тоже разная плотность.
Нет, это верно лишь отчасти, но это не объясняет, почему не смешиваются другие жидкости. Холодная вода плотнее, а потому и тяжелее горячей, поэтому она опускается вниз, смешиваясь с ней.
Просто между теми жидкостями, которые не смешиваются, есть барьер.
Нет, там, где жидкости смешиваются, сверху находится холодная вода, а она тяжелее, чем горячая, и потому она опускается вниз и смешивается с горячей.
Там, где жидкости не смешиваются, сверху находится холодная вода, а у неё более сильное поверхностное натяжение, которое не позволяет ей перетекать в нижнюю бутылку.
Совет
Нет, напротив, не смешиваются жидкости именно там, где холодная вода находится сверху, так как холодная вода тяжелее горячей, и потому она опускается вниз, смешиваясь с ней.
Там, где жидкости смешиваются, сверху находится холодная вода, а она тяжелее, чем горячая, и потому она опускается вниз и смешивается с горячей.
Да, так и есть.
В этом видео воду нагрели выше температуры кипения, но, тем не менее, пока её не потревожили, она так и не закипела. Почему?
Потому что нагревание происходило равномерно, и в воде не появилось точек, в которых напряжение превышало бы напряжение в других точках системы. А именно с таких точек и начинается кипение. Когда же в воду поместили предмет, такие точки появились, и она закипела.
Да, так и есть.
Дело в том, что нагревание воды в микроволновке меняет структуру молекулярных связей, упрочняя их, так что кипение не начинается при той температуре, при которой должно было начаться.
Нет, нагревание происходило равномерно, и в воде не появилось точек, в которых напряжение превышало бы напряжение в других точках системы. А именно с таких точек и начинается кипение. Когда же в воду поместили предмет, такие точки появились, и она закипела.
Просто в этой воде была растворена соль, а соляные растворы кипят при большей температуре.
Нет, это же не объясняет, почему вода закипела, когда в неё поместили карандаш. Дело в том, что нагревание происходило равномерно, и в воде не появилось точек, в которых напряжение превышало бы напряжение в других точках системы. А именно с таких точек и начинается кипение.
Когда же в воду поместили предмет, такие точки появились, и она закипела.
Обратите внимание
Нагреть воду выше температуры кипения невозможно — просто в ней было растворено вещество, которое вступило в реакцию с карандашом.
Нет, перегреть воду возможно едва ли не до температуры, которая втрое превышает температуру кипения.
Дело в том, что нагревание происходило равномерно, и в воде не появилось точек, в которых напряжение превышало бы напряжение в других точках системы. А именно с таких точек и начинается кипение.
Когда же в воду поместили предмет, такие точки появились, и она закипела.
А почему вода закипела в этом видео?
Потому что в нём смешали химические реагенты, катализатором реакции которых является пониженное давление.
Нет, там была обычная вода. Жидкости кипят не только при повышенной температуре, но и при пониженном давлении. Ведь им мешает стать газообразными только давление воздуха и связи между молекулами.
Потому что это тоже была перегретая вода.
Нет, это была обычная вода из чайника. Жидкости кипят не только при повышенной температуре, но и при пониженном давлении. Ведь им мешает стать газообразными только давление воздуха и связи между молекулами.
Потому что понижение давления повышает температуру.
Нет, дело в том, что жидкости кипят не только при повышенной температуре, но и при пониженном давлении. Ведь им мешает стать газообразными только давление воздуха и связи между молекулами.
Потому что жидкости кипят не только при повышенной температуре, но и при пониженном давлении. Ведь им мешает стать газообразными только давление воздуха и связи между молекулами.
Да, так и есть.
Почему в этом видео коробка, в которой кипятили молоко, не загорелась?
Потому что молоко намочило коробку.
Важно
Нет, жидкость поглощала излишки температуры, и, пока она вся не испарилась, коробка не могла загореться.
Потому что жидкость поглощала излишки температуры.
Да, так и есть.
Потому что высокая температура спровоцировала реакцию молока и картона, и они сплавились в более прочный материал.
Нет, жидкость поглощала излишек температуры, и, пока она вся не испарилась, коробка не могла загореться.
На самом деле туда вложили металлическую ёмкость, а коробка всё же прогорела на дне.
Нет, жидкость поглощала излишек температуры, и, пока она вся не испарилась, коробка не могла загореться.
В этом видео показан процесс замерзания воды. Обычно, кристаллизуясь, вещества уменьшаются в объёме. Но тут льда, кажется, стало больше, чем было воды. Почему?
Просто во льду образовались пузырьки воздуха, которые заняли дополнительное пространство.
Нет, кристаллическая решётка льда менее плотная, чем связи воды в жидком состоянии, поэтому он занимает больший объём.
Совет
Вода обладает уникальным свойством: плотность льда меньше плотности воды. Из-за этого лёд становится легче воды, занимает больший объём и не опускается на дно, а плавает на поверхности.
Именно так.
Это просто визуальное искажение, связанное с тем, что лёд не пропускает свет.
больший
Это неправда, все вещества при замерзании расширяются.
Нет, как раз наоборот — это уникальное свойство воды: кристаллическая решётка льда менее плотная, чем связи воды в жидком состоянии, поэтому он занимает больший объём.
Кстати, об искажениях: почему в этом видео стрелки поменяли своё направление, когда перед ними поставили стакан с водой?
Потому что вода отражает свет.
Нет, вода, стекло и воздух — это три разные среды, через которые проходит свет. И каждый раз, когда он проходит через их границу, он немного изменяет своё направление. Вы могли заметить, что, когда перед стрелками поставили пустой стакан, они немного уменьшились в размерах.
Потому что синий и красный свет меняет своё направление, проходя через воду.
Нет, вода, стекло и воздух — это три разные среды, через которые проходит свет, и каждый раз, когда он проходит через их границу, он немного изменяет своё направление. Вы могли заметить, что, когда перед стрелками поставили пустой стакан, он немного уменьшился в размерах.
Потому что свет проходит через несколько границ сред и каждый раз меняет направление.
Так и есть.
Потому что это фокус с зеркалами.
Нет, вода, стекло и воздух — это три разные среды, через которые проходит свет, и каждый раз, когда он проходит через их границу, он немного изменяет своё направление. Вы могли заметить, что, когда перед стрелками поставили пустой стакан, они немного уменьшились в размерах.
А в этом видео воду охладили до температуры ниже температуры кристаллизации, и она не превратилась в лёд, пока её не вылили в сосуд. Как так вышло?
Обратите внимание
Так же, как и с перегретой водой: охлаждение происходило слишком равномерно, и в ней не было точек, с которых могла бы начаться кристаллизация. Когда же они появились, она замёрзла.
Да, так и есть.
Воду не переохлаждали — это невозможно. Её довели до точки замерзания и налили в очень холодный сосуд, так что она сразу кристаллизовалась.
Нет, это вполне возможно. Просто, как и в случае с перегретой водой, охлаждение происходило слишком равномерно, и в ней не было точек, с которых могла бы начаться кристаллизация. Когда же они появились, она замёрзла.
Вода расширяется при замерзании, и, чтобы замёрзнуть, ей нужно пространство, которого в закрытой бутылке у неё не было.
Нет, вода расширяется при замерзании, даже когда расширяться некуда. А в данном случае, как и в случае с перегретой водой, охлаждение происходило слишком равномерно, и в ней не было точек, с которых могла бы начаться кристаллизация. Когда же они появились, она замёрзла.
Это не вода, а жидкий азот — он замерзает при контакте с воздухом.
Нет, это обычная вода. Как и в случае с перегретой водой, охлаждение происходило слишком равномерно, и в ней не было точек, с которых могла бы начаться кристаллизация. Когда же они появились, она замёрзла.
В этом видео нитка не примораживалась к кусочкам льда, пока их не посыпали солью. Почему она всё-таки примёрзла, когда лёд посыпали солью?
Просто нитку недостаточно долго прижимали ко льду.
Нет, она бы всё равно так не примёрзла. При растворении поваренной соли в воде температура её замерзания падает, так что она подтаивает, поглощая энергию. А окружающая ее несолёная вода, наоборот, подмерзает, из-за чего нитка примерзает ко льду.
Важно
При растворении поваренной соли в воде падает температура её замерзания, так что она подтаивает, поглощая энергию. А окружающая ее несолёная вода, наоборот, подмерзает, из-за чего нитка примерзает ко льду.
Да, так и есть.
Соль повышает температуру, при которой замерзает вода, так что раствор вокруг льда подмерзает, и нитка примораживается.
Нет, всё наоборот: при растворении поваренной соли в воде температура её замерзания падает, так что она подтаивает, поглощая энергию. А окружающая ее несолёная вода, наоборот, подмерзает, из-за чего нитка примерзает ко льду.
Соль делает лёд липким, и нитка просто прилипает к нему.
Нет, при растворении поваренной соли в воде температура её замерзания падает, так что она подтаивает, поглощая энергию. А окружающая ее несолёная вода, наоборот, подмерзает, из-за чего нитка примерзает ко льду.
Почему в этом видео поднимается уровень воды в стакане?
Горящая свеча сжигает кислород, и образуется вакуум, который заполняет вода.
Нет, кислород, конечно, сгорает, но вместо него выделяется практически такой же объём углекислого газа, так что это не сильно влияет на общий объём газа в стакане.
Всасывание воды происходит из-за того, что горячий воздух расширяется и выходит из стакана, а когда свеча гаснет, оставшийся воздух сжимается, давление в стакане понижается, и вода заполняет освободившееся пространство, выравнивая давление.
Вода расширяется из-за повышения температуры, вызванного горением свечи.
Нет, расширение воды не могло бы быть столь значительным. Всасывание воды происходит из-за того, что горячий воздух расширяется и выходит из стакана, а когда свеча гаснет, оставшийся воздух сжимается, давление в стакане понижается, и вода заполняет освободившееся пространство, выравнивая давление.
Из-за горения свечи воздух внутри стакана расширяется и выходит из него. А после того как свеча гаснет, она снова сжимается, давление в стакане оказывается пониженным, и вода всасывается внутрь.
Именно.
Совет
Из-за горения свечи повышается температура, и находящаяся под ней вода испаряется. А когда свеча гаснет, вся испарившаяся вода конденсируется обратно.
Нет, испарение не настолько сильно влияет на ситуацию. Всасывание воды происходит из-за того, что горячий воздух расширяется и выходит из стакана, а когда свеча гаснет, оставшийся воздух сжимается, давление в стакане понижается, и вода заполняет освободившееся пространство, выравнивая давление.
| ТЕСТЫФорма воды: Тест о физических свойствах жидкостей
0/12
Похоже, что вы не знаете, почему лопаются банки с соленьями
Кое-чем вода вас всё ещё способна удивить, но это не так-то просто
Время, потраченное вами на изучение физики, явно не утекло в песок
Свойства жидкостей
Подробности Категория: Молекулярно-кинетическая теория Опубликовано 05.11.2014 12:37 Просмотров: 11242
Жидкость — агрегатное состояние вещества, занимающее промежуточное положение между его твёрдым и газообразным состояниями.
Самая распространённая жидкость на Земле — вода. Её твёрдое состояние — лёд, а газообразное — пар.
В жидкостях молекулы расположены почти вплотную друг к другу. Они обладают большей свободой, чем молекулы твёрдого вещества, хотя полностью свободно перемещаться не могут.
Притяжение между ними хоть и слабее, чем в твёрдых телах, но всё-таки его достаточно, чтобы молекулы удерживались на близком расстоянии друг от друга. Каждая молекула жидкости может колебаться около какого-то центра равновесия.
Но под действием внешней силы молекулы могут перескакивать на свободное место в направлении приложенной силы. Этим объясняется текучесть жидкости.
Текучесть
Основное физическое свойство жидкости — текучесть. Когда к жидкости прикладывается внешняя сила, в ней возникает поток частиц, направление которого совпадает с направлением этой силы.
Наклонив чайник с водой, мы увидим, как вода потечёт из его носика вниз под действием силы тяжести. Точно так же вытекает вода из лейки, когда мы поливаем растения в саду.
Подобное явление мы наблюдаем в водопадах.
Вследствие текучести жидкость способна менять форму за малое время под действием даже небольшой силы. Все жидкости могут литься струёй, разбрызгиваться каплями. Их легко перелить из одного сосуда в другой.
Обратите внимание
При этом они не сохраняют форму, а принимают форму того сосуда, в котором находятся. Это свойство жидкости используют, например, при литье металлических деталей. Расплавленный жидкий металл разливают в формы определённой конфигурации.
Остывая, он превращается в твёрдое тело, сохраняющее эту конфигурацию.
Текучесть увеличивается с ростом температуры жидкости и уменьшается при её снижении. Это объясняется тем, что с повышением температуры расстояние между частицами жидкости также увеличивается, и они становятся более подвижными. Зависит текучесть и от структуры молекул. Чем сложнее их форма, тем меньшей текучестью обладает жидкость.
Вязкость
Различные жидкости имеют разную текучесть. Так, вода из бутылки вытекает быстрее, чем растительное масло. Мёд из стакана выливается медленнее, чем молоко. На эти жидкости действуют одинаковые силы тяжести. Так почему же их текучесть отличаются? Всё дело в том, что они обладают различной вязкостью. Чем выше вязкость жидкости, тем меньше её текучесть.
Что же такое вязкость, и какова её природа? Вязкость также называют внутренним трением. Это способность жидкости сопротивляться перемещению различных слоёв жидкости относительно друг друга.
Молекулы, находящиеся в одном из слоёв и сталкивающиеся между собой во время теплового движения, сталкиваются ещё и с молекулами соседних слоёв. Возникают силы, тормозящие их движение.
Они направлены в сторону, противоположную движению рассматриваемого слоя.
Вязкость — важная характеристика жидкостей. Её учитывают в различных технологических процессах, например, когда по трубопроводам необходимо перекачивать жидкость.
Вязкость жидкости измеряют с помощью прибора, называемого вискозиметром. Самым простым считается капиллярный вискозиметр. Принцип его действия не сложен. Подсчитывается время, за которое заданный объём жидкости протекает через тонкую трубочку (капилляр) под воздействием разности давлений на его концах.
Так как известны диаметр и длина капилляра, разность давлений, то можно произвести расчёты на основании закона Пуазёйля, согласно которому проходящий в секунду объём жидкости (секундный объёмный расход) прямо пропорционален перепаду давления на единицу длины трубы и четвертой степени её радиуса и обратно пропорционален коэффициенту вязкости жидкости.
где Q — секундный расход жидкости, м3/с;
р1 — р2 = ∆р — перепад давлений на концах капилляра, Па;
R — радиус капилляра, м;
d — диаметр капилляра, м;
ƞ — коэффициент динамической вязкости, Па/с;
l — длина капилляра, м.
Объём
Расстояние между молекулами внутри жидкости очень мало. Оно меньше размеров самих молекул. Поэтому жидкость очень трудно сжать механически.
Давление, производимое на жидкость, заключённую в сосуд, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Так формулируется закон Паскаля.
Важно
На этой особенности жидкостей основана работа тормозных систем, гидравлических прессов и других гидравлических устройств.
Жидкость сохраняет свой объём, если не изменяются внешние условия (давление, температура). Но при нагревании объём жидкости увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Впрочем, здесь есть исключение. При нормальном давлении и повышении температуры от 0 до 4о объём воды не увеличивается, а уменьшается.
Волны плотности
Сжать жидкость очень трудно. Но при изменении давления всё же возможно. И в этом случае меняется её плотность и объём.
Если сжатие произойдёт в одном участке жидкости, то на другие участки оно будут передаваться постепенно. Это означает, что в жидкости будут распространяться упругие волны.
Если плотность меняется слабо, то получаем звуковую волну. А если достаточно сильно, то возникает ударная волна.
Поверхностное натяжение жидкости
Явление поверхностного натяжения мы наблюдаем каждый раз, когда вода медленно капает из водопроводного крана. Сначала мы видим тонкую прозрачную плёнку, которая растягивается под тяжестью воды. Но она не рвётся, а охватывает небольшое количество воды и образует капельку, падающую из крана. Её создают силы поверхностного натяжения, которые стягивают воду в маленькое подобие шара.
Как возникают эти силы? В отличие от газа жидкость заполняет только часть объёма сосуда, в котором находится. Её поверхность — это граница раздела между самой жидкостью и газом (воздухом или паром).
Со всех сторон молекулу, находящуюся внутри жидкости окружают другие молекулы той же жидкости. На неё действуют силы межмолекулярного воздействия. Они взаимно уравновешены.
Равнодействующая этих сил равна нулю.
А на молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, силы притяжения со стороны молекул этой же жидкости могут действовать только с одной стороны. С другой стороны на них действуют силы притяжения молекул воздуха. Но так как они очень малы, ими пренебрегают.
Равнодействующая всех сил, действующих на молекулу, находящуюся на поверхности, направлена внутрь жидкости. И чтобы не оказаться втянутой в жидкость и остаться на поверхности, молекула совершает работу против этой силы. В результате молекулы верхнего слоя получают дополнительный запас потенциальной энергии.
Чем больше поверхность жидкости, тем большее количество молекул находится там, и тем больше потенциальная энергия. Но в природе всё устроено так, что любая система старается свести свою потенциальную энергию до минимума. Следователь, существует сила, которая будет стремиться сократить свободную поверхность жидкости.
Эта сила называется силой поверхностного натяжения.
Совет
Натяжение поверхности жидкости очень велико. И чтобы его разорвать требуется довольно значительная сила. Ненарушенная поверхность воды может легко удерживать монету, лезвие бритвы или стальную иголку, хотя эти предметы значительно тяжелее воды. Сила тяжести, действующая на них, оказывается меньше силы поверхностного натяжения воды.
Наименьшую поверхность из всех геометрических объёмных тел имеет шар. Поэтому если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, то она принимает форму сферы. Такую форму имеют капли воды в невесомости. Мыльные пузыри или пузыри кипящей жидкости также стараются принять сферическую форму.
Смешиваемость
Жидкости могут растворяться друг в друге. Эта их способность называется смешиваемостью.
Если поместить в один сосуд две смешиваемые жидкости, то в результате теплового движения их молекулы постепенно будут переходить через границу раздела. В результате произойдёт смешивание.
Но не все жидкости могу смешиваться. Например, вода и растительное масло не смешиваются никогда. А воду и спирт смешать очень легко.
Адгезия
Все мы знаем, что гуси и утки выходят из воды сухими. Почему же их перья не намокают? Оказывается, у них есть специальная железа, которая выделяет жир, которым водоплавающие птицы при помощи клюва смазывают свои перья. И они остаются сухими, потому что вода стекает с них капельками.
Поместим каплю воды на пластинку из полистирола. Она принимает форму сплющенного шарика. Такую же каплю попробуем поместить на стеклянную пластинку. Мы увидим, что на стекле она растекается.
Что же происходит с водой? Всё дело в том, что силы притяжения действуют не только между молекулами самой жидкости, но и между молекулами разных веществ в поверхностном слое. Эти силы называются силами адгезии (от латинского adhaesio — прилипание).
Взаимодействие жидкости с твёрдым телом называют смачиванием. Но поверхность твёрдого тела смачивается не всегда. Если окажется, что молекулы самой жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к твёрдой поверхности, то жидкость соберётся в капельку. Именно так ведёт себя вода на пластинке из полистирола.
Она не смачивает эту пластинку. Точно так же не растекаются капельки утренней росы на листиках растений. И по этой же причине вода стекает с покрытых жиром перьев водоплавающих птиц.
А если притяжение молекул жидкости к твёрдой поверхности сильнее сил притяжения между самими молекулами, то жидкость расплывается на поверхности. Поэтому наша капелька на стекле также растеклась. В этом случае вода смачивает поверхность стекла.
Нальём воду в сосуд из полистирола. Посмотрев на поверхность воды, мы увидим, что она не горизонтальная. У краёв сосуда она искривляется вниз. Так происходит, потому что силы притяжения между молекулами воды больше, чем силы адгезии (прилипания).
Обратите внимание
А в стеклянном сосуде поверхность воды у краёв искривляется вверх. В этом случае силы прилипания больше внутримолекулярных сил воды. В широких сосудах это искривление наблюдается только у стенок сосудов.
А если сосуд узкий, то это искривление заметно по всей поверхности воды.
Явление адгезии широко используется в различных отраслях промышленности — лакокрасочной, фармацевтической, косметической и др.
Смачивание необходимо при склеивании, крашении тканей, нанесении на поверхность красок, лаков. А при строительстве бассейнов их стенки, наоборот, покрывают материалом, который не смачивается водой.
Такие же материалы используют для зонтов, плащей, непромокаемой обуви, тентов.
Капиллярность
Ещё одна интересная особенность жидкости — капиллярный эффект. Так называют её способность изменять свой уровень в трубках, узких сосудах, пористых телах.
Если опустить узкую стеклянную трубку (капилляр) в воду, то можно увидеть, как поднимается в ней водяной столбик.
Чем уже трубка, тем выше столбик воды. Если опустить такую же трубку в жидкую ртуть, то высота столбика ртути окажется ниже уровня жидкости в сосуде.
Жидкость в капиллярах способна подниматься по узкому каналу (капилляру) только в том случае, если она смачивает его стенки.
Так происходит в грунте, песке, стеклянных трубках, по которым легко поднимается влага. По этой же причине пропитывается керосином фитиль в керосиновой лампе, полотенце впитывает влагу от мокрых рук, происходят различные химические процессы. В растениях по капиллярам поступают к листьям питательные вещества и влага.
Благодаря капиллярному эффекту возможна жизнедеятельность живых организмов.
Физические свойства жидкости
Жидкость — физическое тело, которое обладает свойством текучести, т. е. не имеющее способности самостоятельно сохранять свою форму.Текучесть жидкости обусловлена подвижностью молекул, составляющих жидкость.
Жидкостью называется агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Жидкость характеризуется следующими свойствами: 1) сохраняет объем; 2) образует поверхность; 3) обладает прочностью на разрыв; 4) принимает форму сосуда; 5) обладает текучестью. Свойства жидкости с 1) по 3) подобны свойствам твёрдых тел, а свойство 4) — свойству жидкости.
Жидкости, законы движения и равновесия которых изучаются в гидравлике (механике жидкости и жидкости), делятся на два класса: сжимаемые жидкости или газы, почти несжимаемые — капельные жидкости.
В гидравлике рассматриваются как идеальные, так и реальные жидкости.
Идеальная жидкость — жидкость, между частицами которой отсутствуют силы внутреннего трения. Вследствие этого такая жидкость не сопротивляется касательным силам сдвига и силам растяжения.
Идеальная жидкость совершенно не сжимается, она оказывает бесконечно большое сопротивление силам сжатия.
Такой жидкости в природе не существует — это научная абстракция, необходимая для упрощения анализа общих законов механики применительно к жидким телам.
Реальная жидкость — жидкость, которая не обладает в совершенстве свойствами идеальной жидкости, она в некоторой степени сопротивляется касательным и растягивающим усилиям, а также отчасти сжимается.
Важно
Для решения многих задач гидравлики этим отличием в свойствах идеальной и реальной жидкостей можно пренебречь.
В связи с этим физические законы, выведенные для идеальной жидкости, могут быть применены к жидкостям реальным с соответствующими поправками.
Ниже кратко представлены общие сведения, касающиеся физических свойств жидкостей. Конкретные физические свойства разных жидкостей находятся в подразделах нашего сайта. Эти разделы будут постепенно пополняться новой информацией, которая, возможно, окажется полезной инженерам и конструкторам при проведении расчетов.
Плотность жидкости
Килограмм на кубический метр [кг/м3] равен плотности однородного газообразного вещества, масса которого при объёме 1 м3 равна 1 кг.
где
dm — масса элемента жидкости, объёмом dV;
dV — объём элемента жидкости.
Динамическая вязкость жидкости
где
F — сила внутреннего трения жидкости.
ΔS — площадь поверхности слоя жидкости, на которую рассчитывается сила внутреннего трения.
— величина, обратная градиенту скорости жидкости.
Паскаль-секунда [Па • с] равна динамической вязкости жидкости, касательное напряжение в которой при ламинарном течении на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равно 1 Па.
Поверхностное натяжение жидкости
где
dF — сила, действующая на участо контура свободной поверхности нормально к контуру и по касательной к поверхности к длине dl этого участка.
dl — длина участка поверхности жидкости.
Ньютон на метр [Н/м] равен поверхностному натяжению жидкости, создаваемому силой 1 Н, действующей на участок контура свободной поверхности длиной 1 м нормально к контуру и по касательной к поверхности.
Кинематическая вязкость жидкости
где
μ — динамическая вязкость жидкости;
ρ — плотность жидкости;
Квадратный метр на секунду [м2/с] равен кинематической вязкости жидкости с динамической вязкостью 1 Па с и плотностью 1 кг/м3.
Коэффициент теплопроводности жидкости
где
t — время;
S — площадь поверхности;
Q — количество теплоты [Дж], перенесённое за время t через поверхность площадью S.
— величина, обратная градиенту температуры жидкости.
Ватт на метр-Кельвин [Вт/(м • К)] равен коэффициенту теплопроводности жидкости, в котором при стационарном режиме с поверхностной плотностью теплового потока 1 Вт/м2 устанавливается температурный градиент 1 К/м.
Теплоемкость жидкости
где
dQ — количество теплоты, необходимое для нагревания жидкости;
dT — разность температуры.
Джоуль на Кельвин [Дж/К] равен теплоемкости жидкости, температура которого повышается на 1 К при подведении к нему количества теплоты 1 Дж.
Удельная массовая теплоемкость жидкости при постоянном давлении
Джоуль на килограмм-Кельвин [Дж/(кг • К)] равен удельной теплоемкости жидкости, имеющего при массе 1 кг теплоемкость 1 Дж/К.
Температуропроводность жидкости
где
λ — теплопроводность жидкости;
Cp — удельная массовая теплоемкость жидкости.
ρ — плотность жидкости.
Квадратный метр на секунду [м2/с] равен температуропроводности жидкости с коэффициентом теплопроводности 1 Вт/(м К), удельной теплоемкостью при постоянном давлении 1 [Дж/(кг • К) и плотностью 1 кг/м3.