Солнечная мельница или радиометр Крукса. Научные игрушки

Подробности

Обновлено 14.06.2021 18:57

01.2015

Это не мельница времен Дон Кихота! Ей не нужен ветер! Ей нужно только ласковое солнышко!
В настоящее время по всему миру можно увидеть в продаже сувениры-игрушки «световые мельницы», которым для вращения не нужны батарейки. Это и настольные сувениры, и подвесные вращающиеся шары различных форм и расцветок.

Их «серьезных» собратьев показывают в технических музеях, а многих используют в качестве измерительных приборов в научных целях.

Световая мельница, вертушка Крукса или радиометр Крукса – столько названий у одного изобретения! Это и научный прибор, и одновременно эффектная игрушка.

Устройство было придумано в 1875 году британским физиком Уильямом Круксом.
Внутри стеклянного сосуда, из которого частично откачан воздух, на острие иголки, как стрелка компаса, уравновешена легкая вертушка из четырех лопастей-лепестков, расположенных крест-накрест. У лепестков световой мельнички одна сторона черная, а другая – светлая.

Вертушка начинает вращаться, если на нее направить солнечный свет или свет от лампы, или просто обхватить ладонью, мельница «машет крыльями» - вертится!

Что же давит на лепестки?
Какой «ветер», какая сила заставляет мельничку вращаться?
Может быть, это сказывается давление света?

Именно так и думал изобретатель У. Крукс, а первоначально его поддерживал и сам Дж. Максвелл.
Да, действительно, давление света существует, но оно слишком мало, чтобы привести мельничку в движение. Здесь причина в другом.

В результате большего поглощения света темная сторона лепестка нагревается сильнее, чем светлая.
При столкновении с лепестком молекулы газа в сосуде нагреваются и отскакивают от темной стороны лепестка с большей скоростью, чем от светлой. В результате, темная сторона лепестка, повернутая к источнику света, получает больший импульс движения, чем лепесток, обращенный к свету светлой стороной. Возникает разность давлений молекул газа на нагретую (темную) и более холодную (светлую) стороны лепестков мельнички.

Таким образом, причиной вращения световой мельнички является радиометрический эффект, который достаточно сильно проявляется в разреженном газе.
Радиометрический эффект, это пример применения кинетической теории газов, которая говорит о том, что средняя кинетическая энергия частиц с повышением температуры увеличивается. Молекулы газа, ударяясь о темную поверхность, отскакивают от нее с большей скоростью чем, если бы они сталкивались со светлой поверхностью. Сила, заставляющая лепестки поворачиваться, возникает из-за разницы величины импульсов движения, которые передаются молекулами газа светлым и темным сторонам лепестков световой мельнички.

Радиометрический эффект не будет возникать, если давление газа в колбе очень низкое (ведь требуется известное число молекул газа) или, наоборот, высокое (близко к атмосферному давлению), т.к. в этом случае молекулы газа, получив дополнительную энергию при отскоке от темных сторон лепестков, тут же передадут ее светлым сторонам лепестков, и в итоге результирующая сила, разворачивающая лепестки, уменьшится.

При действии излучения на лепестки темные стороны удаляются от источника излучения, а светлые стороны приближаются. Охлаждение радиометра вызывает вращение световой мельнички в обратном направлении.
Интересно, что в 2009 году в США был создан радиометр, лопасти-лепестки которого одинакового цвета, но образованы выпукло-вогнутыми поверхностями и покрыты сильно поглощающими свет золотыми нанокристаллами. Выпуклая сторона лепестка получает больше энергии, чем вогнутая, а молекулы газа - больше тепла от выпуклой стороны, чем от вогнутой. В результате, радиометр вращается вогнутой стороной вперед.