Лава-лампа или лампа-вулкан. Научные игрушки

Подробности

Обновлено 14.06.2021 19:42

01.2015

Дождемся вечера! Устроимся поудобней, ведь сидеть придется очень долго, и включим сказочную лава-лампу...
Лавовая лампа, она же лава-лампа – это удивительный светильник, феноменальность которого обусловлена движением жидкостей, ее наполняющих. Бесконечно можно наблюдать, как, меняя форму и размеры, плавно поднимаются и вновь опускаются в толще жидкости цветные пузыри. Поведение жидкостей в лампе очень похоже на извержение вулкана, поэтому, очевидно, и получила она такое название.

Лавовая лампа была изобретена англичанином Э. Уолкером в 1960-х годах.

Как устроена лава-лампа?

Основная часть этого светильника представляет собой цилиндрический прозрачный сосуд-колбу, под дном которого расположен нагреватель (одновременно и осветитель), обычно это лампа накаливания.

Сосуд на 1/6 своего объема заполнен цветным воскообразным веществом, а выше почти доверху залита прозрачная жидкость типа глицерина. Не ищете точного состава этих веществ – это промышленный секрет!

Расплавленный воск и окружающая его прозрачная жидкость - несмешивающиеся жидкости. Удельные теплоемкости этих двух веществ различны, воск нагревается быстрее прозрачной жидкости.
За движение разноцветных пузырей в лава-лампе отвечает явление конвекции, здесь происходит перенос энергии струями жидкости.
Работа лавового светильника таит в себе много таинственных и красивых явлений!

«Чудеса» начинаются, когда включается нагреватель.

Воск начинает нагреваться, вязкость его уменьшается, и он постепенно переходит в жидкое состояние.
Сначала воск размягчается ближе ко дну лава-лампы. По мере нагревания все большая часть воска внизу становится жидкой, а его твердая корка сверху становится все тоньше. Нагреваясь, воск расширяется, давление жидкого воска на верхнюю корку увеличивается, и, наконец, жидкий воск прорывает ее и пузырями вылетает наверх.
На дне «заработал вулкан»!

Вещества в сосуде подобраны так, чтобы плотность разогретого воска была бы меньше плотности еще холодного глицерина. Поэтому порции жидкого воска из «кратера вулкана», остывая по дороге, всплывают вверх. Достигая поверхности, они отвердевают, принимая самые причудливые формы. При застывании плотность воска становится больше плотности прозрачной жидкости, и отвердевшие кусочки воска начинают медленно опускаться.

Некоторые из этих кусочков зависают y поверхности. Причиной тому является сила поверхностного натяжения, которая в результате несмачивания воска и жидкости стремится вытолкнуть кусочки воска из жидкости.
Между тем из «кратера вулкана» продолжают медленно вытекать очередные порции расплавленного воска. Теперь они вытягиваются в виде струи, которая, соприкасаясь c холодной жидкостью, быстро отвердевает. Для быстрого роста ей не хватает воска. На границе кратера и начала струи возникает трещина, куда устремляется холодная жидкость, которая как бы заполняет струю изнутри, дополнительно охлаждая ее внутренние стенки. В результате образуется тонкостенная восковая трубка, заполненная внутри жидкостью.

Теперь выходящий из «кратера» расплавленный воск поднимается вверх уже внутри образовавшейся трубки и удлиняет ее. Рядом c этой трубкой через некоторое время могут появиться еще несколько таких трубок. Они причудливо переплетаются среди продолжающих опускаться по мере нагревания жидкости кусочков воска.

Время идет, жидкость все больше прогревается, образовавшиеся трубки начинают оседать, а упавшие на дно кусочки воска расплавляются. B лава-лампе на каплю расплавленного воска действуют сила тяжести, сила поверхностного натяжения и сила Архимеда, которая почти полностью компенсирует силу тяжести. Капля воска оказывается практически в состоянии невесомости и принимает энергетически более выгодную сферическую форму - форму шара. Интересно, что касающиеся друг друга капли воска не сливаются при этом в одну.

Наконец, на дне сосуда образуется полностью жидкая восковая масса. Благодаря продолжающемуся нагреву от поверхности воска отрывается «протуберанец», как на Солнце, и под действием выталкивающей силы медленно поднимается, принимая форму шара. В верхней части лампы, где жидкость из-за своей низкой теплопроводности до сих пор не прогрелась, этот шар охлаждается, оставаясь все-таки еще жидким, и опускается вниз, на вздувающуюся поверхность воска.

Шар довольно долго подпрыгивает на ней, скатываясь к стенкам лампы.
Для дальнейшей работы лампы необходимо, чтобы шар, опустившись вниз, слился с основной массой воска внизу. Для этого по периметру дна лампы установлена металлическая пружина. При соприкосновении c нагретой от нагревателя пружиной капли лавы также нагреваются, вязкость их уменьшается, и они легко втекают в основную массу воска.

Нагреватель под сосудом продолжает греть жидкости. По мере повышения температуры темп образования и отрыва «протуберанцев» нарастает. И вот уже в цилиндре одновременно находится много жидких шаров, одни из которых поднимаются вверх, другие опускаются.

Шары сталкиваются, меняют направление движения, но не сливаются вместе, легко деформируясь, они лишь скользят друг по другу.

Скорость шаров в вулканической лампе составляет несколько сантиметров в секунду, а радиусы шаров - несколько сантиметров.

За короткое время столкновения шары слиться не успевают. Кроме того, пока температура жидкости не высока, вязкость воска - большая, именно по этой причине шары и не сливаются. Однако стоит их подогреть сильнее, как вязкость воска резко уменьшится, и жидкие шары сольются довольно быстро.

Так при очень долгой работе лава-лампы, или при достаточно высоких температурах окружающего воздуха вся жидкость в сосуде окончательно прогревается, и плотности веществ практически сравниваются. Весь воск собирается в один большой шар, который зависает y дна. Из-за касания этого шара стенок сосуда, он немного остывает, плотность его увеличивается, и он опускается на дно. У дна шар получает дополнительную порцию тепла и возвращается на прежнее место, и возникает процесс колебания шара в нижней части сосуда.

А все удивительные процессы, происходящие в этой научной «игрушке», или просто чудо-лампе, объясняет замечательная наука «физика».
Учите физику, друзья!