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어린이 과학 실험실
자연의 큰 숟가락. 어린이과학실
1970 년 1000 월 카리브해의 마르티니크 섬에서 멀지 않은 곳에 세 명의 미국 과학자 G. Stommel, L. Howard 및 D. Nergard가 부러워하는 끈기를 가지고 14km 길이의 플라스틱 내장을 물속에서 몰아 내려고했습니다. 정원사는 꽃과 나무에 물을 주기 위해 사용합니다. 유연한 내장이 엉키고 부러져 과학자들에게 많은 문제를 일으켰지 만 여전히 목표를 달성했습니다. 결국 내장은 수면에서 XNUMXm 깊이까지 수직으로 "매달려"있습니다. 그런 다음 과학자들은보고 싶은 것을 보았습니다. 그들은 XNUMX 년 전에 G. Stommel, A. Arong 및 D. Blengard가 "Oceanographic Riddle"이라는 작품에서 표현한 이론적 명제를 실험적으로 테스트하고 이러한 조항이 사실인지 확인했습니다. 이 이론적 작업의 저자는 다양한 깊이에서 세계 해양의 다양한 지역에서 염분과 온도에 따른 물 밀도 분포를 연구한 결과, 예를 들어 버뮤다 근처의 Sargasso Sea에서 구리가 예를 들어 1000m 길이의 파이프를 수직으로 낮추고 내경을 2cm로하여 끝이 물 위로 너무 높게 튀어 나오지 않도록하면 저자가 "영원한"이라고 부르는 놀라운 현상을 관찰 할 수 있습니다. 소금샘". 이 분수를 시작하려면 파이프 상단을 펌프에 연결하고 켜고 천 미터 깊이에서 염분이 적은 물의 일부를 들어 올리는 데 걸리는 시간 동안 그대로 유지하면 충분합니다. 그런 다음 펌프를 분리할 수 있고 파이프에서 물이 저절로 나옵니다. 사실 펌프는 더 높은 층의 물보다 염도가 낮은 냉수를 천 미터 지점에서 파이프로 끌어들입니다. 상승하면 물이 다소 가열되어 상층의 다소 따뜻한 물에서 파이프 벽을 통해 열을받습니다. 파이프의 구리 벽은 열 교환을 제공하지만 염 교환은 제공하지 않으므로 파이프의 물은 위로 올라갈수록 더 따뜻해지고 약간 짠맛이 남아 상대적으로 밀도가 낮아집니다. 따라서 파이프에 포함된 물기둥은 파이프 외부의 동등한 물기둥보다 가볍습니다. 무게의 차이로 인해 압력의 차이가 발생하여 궁극적으로 염분이 적은 물이 파이프 위로 올라갑니다. 파이프 끝이 표면 위로 너무 높게 돌출되지 않으면 "영원한 분수"를 작동시키기에 충분한 초과 압력이 발생하고 덜 염분이 파이프의 돌출 끝에서 계속 쏟아집니다. 이 과정은 Sargasso Sea의 물이 잘 섞일 때까지, 즉 거의 무한정 계속됩니다.
60cm 높이의 소금 분수를받은 과학자들은 갑자기 의심하기 시작했습니다. 밀도의 차이가 아니라 표면의 파도가 물을 위로 올리면 어떨까요? 파도는 플로트에 부착된 유연하고 탄력적인 호스를 움직이고 아마도 "영원한 분수"에 에너지를 공급하는 일종의 펌프로 바꿀 수 있습니다. 단단한 호스로 실험을 반복하면 의심을 없앨 수 있습니다. 이 경우에도 소금 분수가 작동했습니다. 소금 분수와 우리를 얻으려고 노력합시다. 이를 위해 XNUMXkm의 호스가 필요하지 않으며 버뮤다 대신 부엌에 가야합니다. 그리고 물이 표면에서 더 따뜻하고 염도가 높고 수심에서 더 차갑고 염도가 낮은 열대 바다는 넓은 팬을 사용하여 모델링합니다. 또한 Volna 치즈 아래에서 핀으로 구멍을 뚫어야하는 플라스틱 컵이 필요합니다.
시작하려면이 바닥층의 깊이가 3-4cm가되도록 차가운 수돗물을 범해에 붓습니다. 우리는 구멍이 뚫린 플라스틱 컵을 물에 거꾸로 넣었습니다. 이제 가능한 한 많이 섞이지 않도록 매우 조심스럽게 유리 구멍에서 찬물이 나올 때까지 따뜻한 물을 팬에 붓습니다. 마지막으로 열대 바다의 표층을 시뮬레이션 해 봅시다. 이를 위해 (다시 극도의주의를 기울여) 따뜻한 물 층 위에 뜨거운 소금물을 얇게 부을 것입니다. 바다가 준비되었습니다. 이제 컵의 구멍 위에 페인트나 잉크를 떨어뜨리면 바다의 염분 분수를 시뮬레이션하여 작은 분수가 구멍에서 뛰는 것을 볼 수 있습니다. 컵에서 흘러나오는 물은 컵 밖의 물과 같은 깊이에서 온도가 거의 같지만 염도가 낮아 더 가볍습니다. 이로 인해 컵에서 물이 흘러 나옵니다. 분수는 소금과 열이 "바다" 전체에 고르게 분포될 때까지 작동합니다. 소금 손가락 식염수 용액에서 열은 바다에서 소금보다 훨씬 빠르게 (약 XNUMX 분의 XNUMX) 퍼지기 때문에 특정 조건에서 일종의 천연 구리 파이프 또는 오히려 많은 작은 튜브-보이지 않는 채널이있을 수 있습니다. 어떤 움직임이 물 속에서 일어나는지. 따뜻한 소금물 층이 차갑고 매우 짠 물이 아닌 층 위에 놓이면 "소금 손가락"이라고하는 소형 소금 분수가 인터페이스에 형성됩니다. 더 짠 물이 떨어지는 줄.
솔트 핑거는 바다에서 직접 관찰할 수 없었지만, 주방에서는 꼭! 이렇게하려면 착색 된 짠 뜨거운 물을 차가운 수돗물 한 잔에 붓기 만하면됩니다. 물론 찬물과 뜨거운 물 사이의 경계면이 상당히 명확하도록 붓는 것은 매우 조심해야 합니다. "바다"의 수층 사이에 명확한 인터페이스를 얻기 위해 D. Walker는 작은 높이에서 떠 다니는 판자 조각에 뜨거운 물을 부을 것을 조언합니다. K. Stong은 끈에 매달린 종이 원을 항아리의 찬물 표면까지 사용할 것을 권장합니다.
몇 분 안에 모델이 준비되면 솔트 핑거가 인터페이스에서 길이 1~5cm, 두께 약 XNUMXmm로 자랄 것입니다. 이 현상은 몇 분에서 몇 시간까지 꽤 오래 지속됩니다. 솔트 핑거의 출현과 발달은 초기에 잔잔한 인터페이스를 변형시키는 파동 여기로 설명할 수 있습니다. 차가운 물 방울은 뜨거운 물로 올라가고 그 반대도 마찬가지입니다. 열 전파 속도와 염분 확산 속도의 차이로 인해 분할선 위에 있는 물방울은 기본적으로 가열만 하고 그 안의 염분 농도는 거의 변하지 않고 가벼워지고 계속 상승합니다. 구분선 아래에 있는 물방울은 열을 발산하고 더 차가워지고 무거워지고 가라앉습니다.
용기 벽을 통한 큰 열 손실로 인해 짠 따뜻한 환경에서 손가락을 사용한 실험이 항상 즉시 성공적인 것은 아닙니다. 영국의 물리학자 S. Turner는 실험을 위해 두 가지 용액으로 구성된 보다 합리적인 염-설탕 시스템을 제안했습니다. 첫 번째 솔루션은 짠맛이 있습니다. 수돗물 한 컵당 소금 XNUMX 티스푼과 과립 설탕 XNUMX 티스푼. 두 번째 해결책은 단맛이 나는 것입니다. 수돗물 한 컵에 설탕 XNUMX티스푼과 소금 XNUMX티스푼을 넣습니다. 먼저 짠맛이 나는 달콤한 용액을 유리 병에 부어 전체 시스템의 바닥층을 형성합니다. 그런 다음 매우 조심스럽게 인터페이스를 유지하면서 단 짠 용액을 같은 병에 붓습니다. 그것은 착색되어야합니다 (잉크 "레인보우"-파란색 또는 빨간색). 솔트 핑거는 XNUMX시간 이내에 나타나고 몇 시간 동안 지속됩니다. 이 실험에서 손가락의 성장 속도는 소금의 확산 속도에 따라 달라지며 모양 자체는 소금이 설탕보다 빠르게 확산되기 때문입니다. 상층(단짠맛)은 하층보다 밀도가 낮고 층 사이의 경계가 안정적이어야 합니다. 그러나 임의의 초기 불안정성은 소량의 설탕 용액을 아래로 보내고 소금은 설탕이 주변 염수로 확산되는 것보다 더 빨리 결과 팽창을 침투합니다. 소금을 첨가한 팽창은 주변보다 밀도가 높아지고 아래로 돌진하여 손가락을 형성합니다. 같은 방식으로 더 낮은 밀도의 소금물이 약간 팽창하여 단맛이 나는 용액으로 위쪽으로 침투하여 설탕을 얻는 것보다 더 빨리 염분을 잃고 주변보다 가벼워지고 위로 돌진합니다. 성장하는 손가락. 솔트 오실레이터 그리고 마지막으로 소금물과 담수의 밀도 차이를 기반으로 한 또 다른 놀라운 경험입니다. 실험을 위해 통조림 야채 또는 얇은 차 유리의 유리 병, validol 또는 사진 필름 아래의 알루미늄 카트리지가 필요합니다. 일부 약 아래에서 플라스틱 컵을 사용할 수도 있습니다. 구멍의 가장자리가 매끄럽도록 가열 된 바늘로 유리 바닥을 뚫습니다. 동일한 바늘로 알루미늄 카트리지에 구멍을 뚫는 것은 쉽습니다.
항아리에 찬물을 가장자리까지 거의 붓습니다. 소금물(물 XNUMX컵당 소금 XNUMX~XNUMX티스푼)을 준비하고 무지개 잉크(파란색 또는 빨간색)로 착색합니다. 컵의 직경에 따라 구멍을 뚫어 골판지 홀더에 컵을 고정합니다. 그런 다음 항아리에 넣고 소금물을 붓는 동안 유리의 수위가 항아리보다 약간 높아지는지 확인하십시오. 이제 무슨 일이 일어나는지 지켜보십시오. 밀도가 높고 무거운 소금물이 유리의 구멍을 통해 담수로 흐르기 시작합니다. 유출되는 소금물의 압력이 구멍의 높이에서 병 안의 신선한 물의 압력과 같을 정도로 유리 안의 소금물 수준이 낮아질 때까지 고르게 흐를 것이라고 가정할 수 있습니다. 모든 일이 일어나고 있는 것 같습니다. 착색된 물줄기는 가늘어지고 사라진다. 모두? 아니요, 잠시 후 제트기가 다시 나타나고 다시 사라집니다. 이것은 꽤 오랫동안 계속됩니다.
제트기가 멈췄을 때 유리에서 일어나는 일은 첫 번째 경험을 기억하면서 추측하기 쉽습니다. 유리 바닥에서, 더 정확하게는 구멍에서, 즉 신선한 물 분수가 있습니다. 더 가벼우면 소금물의 두께를 통해 물이 위로 올라갑니다. 담수에 색을 칠하면 이 분수를 관찰할 수 있을 것입니다. 따라서 1970년에 이 효과를 처음 발견한 과학자의 이름을 따서 "마틴 소금 발진기"라고 불리는 특정 진동 시스템이 얻어졌습니다. 발진기의 진동 주기는 주로 구멍의 크기와 담수의 온도에 따라 달라집니다. 발진기의 작동은 이전 실험과 동일한 메커니즘을 기반으로 합니다.
A. 시스템은 평형 상태입니다. 유리의 구멍 아래에는 신선한 냉수가 있고 구멍 위에는 밀도가 높은 액체인 소금물이 있습니다. B, C. Rayleigh-Taylor 불안정성, "스윙"의 출현 및 담수 상향 흐름의 시작. D. Walker는 염 발진기가 Rayleigh-Taylor 불안정성(인터페이스가 밀도가 낮은 액체 층 위에 놓인 밀도가 높은 액체 층의 계면에서의 불안정성)으로 인해 자기 여기 후 진동하기 시작하는 시스템의 예라고 말합니다. 유체정역학적 평형 상태), 두 액체 사이의 계면에서 급속한 여기(축적)가 뒤따릅니다. 즉, 우리의 실험에서 구멍의 압력을 균등화했음에도 불구하고 밀도가 낮은 액체 층 위에 있는 밀도가 높은 액체 층은 불안정하고 약하고 무작위적인 섭동을 받습니다. 이러한 섭동은 두 유체 사이의 경계면에서 약간의 팽창을 생성합니다. 밀도 차이로 인해 밀도가 낮은 일부 액체는 이전 인터페이스 위에 있고 밀도가 높은 일부 액체는 아래로 밀려납니다. 이 불안정성은 빠르게 증가하고 소금 발진기가 작동하기 시작합니다. 위쪽으로 침투하는 담수는 구멍 반대편의 같은 높이에 있는 소금물보다 가볍기 때문에 구멍을 통한 흐름을 가속화합니다. 맑은 물의 샘이 뛰기 시작하고, 이 제트가 바닷물의 유출을 멈추는 순간이 옵니다. 컵에 물을 펌핑하면 점차 액체 높이가 증가하여 결과적으로 구멍 수준의 압력이 증가합니다. 항아리가 컵보다 넓기 때문에 항아리에서 물이 손실되면 그 안의 물의 양이 약간 줄어 듭니다. 마지막으로 구멍 안의 바닷물의 압력이 줄어들 정도로 커지는 순간이 오다가 담수분수대를 완전히 멈춘다. 주기가 끝났습니다. 이제 컵에 물이 너무 많아 제트기가 다시 나타납니다. 오리피스의 압력이 다시 균등해질 때까지 유량이 점차 감소합니다. 그런 다음 임의의 섭동으로 인해 다시 인터페이스가 부풀어 오릅니다. 담수 분수가 나타납니다. 따라서 흐름이 번갈아 가며 위 또는 아래로 - 이것은 소금 발진기입니다. 유속은 컵 구멍의 직경과 액체의 점도에 따라 다릅니다. 이전 실험에서와 같이 다른 액체를 사용해 볼 수 있습니다. 예를 들어 알코올과 물이 섞이는 것처럼 밀도가 다르고 섞이지 않는 것이 중요합니다. D. Walker는 그가 물, 약간 엷은 파란색, 당밀 용액, 붉은 색으로 작업하려고 시도했으며 그에 따르면 거의 멋진 광경을 관찰했다고보고합니다. 발진기 장치의 경우 S. Martin은 의료용 주사기를 사용했습니다. 이 경우 발진 주기는 4초이고 발진기의 작동 주기는 20주기입니다. 찻잔에 내려진 validol의 알루미늄 카트리지가 있는 발진기는 10초 주기로 XNUMX시간 동안 작동했습니다.
2리터 병과 Iskra-20 표백제의 폴리에틸렌 병으로 구성된 대형 발진기는 설탕으로 약간 달게 하고 파란색 잉크로 짙게 착색된 식염수 용액에서 XNUMX초 주기로 긴 스트림을 생성했습니다. 각 주기의 시작 부분에 나타나는 줄 끝에 있는 소용돌이 "우산" 외에도 여기에서 소용돌이 고리도 관찰할 수 있습니다. 그들은 아래로 이동하고 추월하고 서로 관통하며 캔 맨 아래에서 흐려집니다. 반지 중 일부가 촬영되었습니다.
우리는 소금물과 담수의 밀도 차이에 기반한 세 가지 실험에 대해 이야기했습니다. 자연에서 밀도의 차이로 인한 바닷물의 수직 혼합은 전체 바다의 생명에 매우 중요합니다. 덕분에 얇은 물층에 흡수 된 태양열이 깊이 퍼집니다. (TSB 참조: 1센티미터 두께의 층이 일반 해수 표면에 입사하는 태양 에너지의 94%를 흡수하고 소금물은 킬로그램당 44,2그램의 염도에 대해 123℃의 따뜻한 물 영역을 형성했습니다. 이들에 대한 관심 우울증은 또한 바닥 퇴적물에서 아연, 구리, 납,은 및 금의 함량이 증가한 것으로 나타났습니다. 퇴적물의 10m 상층에 2,5 억 달러 상당의 축적 된 (예비 추정치에 따르면) . 소비에트 과학자들은 또한 Akademik Sergey Vavilov와 Vityaz 선박의 이러한 함몰 연구에 참여했습니다. 과학자들은 우울증에 있는 소금물의 나이가 약 10000년이라고 제안합니다. 그러한 이상 현상의 또 다른 예는 남극 대륙의 Vanda 호수입니다. 얼음 바로 아래의 물은 신선하고 온도는 0 ° C이고 깊이 220m에서 수온은 이미 25 ° C이며 염분은 킬로그램 당 약 150g입니다. 소금 우울증은 어떻게 형성 되었습니까? 그 속에 담긴 소금물의 나이를 얼마나 정확하게 알 수 있습니까? 과학자들은 이러한 질문에 대답하기 어렵다고 생각합니다. 이렇게하려면 뜨겁고 밀도가 높은 염수와 염분이 적은 냉수의 대류 혼합 속도를 계산하는 방법을 배워야합니다. 바다에서 "큰 스푼"의 작용 메커니즘을 철저히 연구해야합니다. 문학 :
저자: V.Lgovskiy
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