Брелок-две жидкости. Научные игрушки

Подробности

Обновлено 14.06.2021 19:40

01.2015

Перед вами небольшой брелок-игрушка, заполненный жидкостью. Внутри жидкости виден еще и поплавок. Весь интерес в том, что здесь в одном сосуде находятся две разные по цвету жидкости. Они не смешиваются и имеют очень различающиеся плотности. Цветная жидкость, находящаяся внизу, на много плотнее прозрачной жидкости.

Даже, если очень сильно потрясти сосуд, то жидкости не смешиваются. Сначала жидкость разделяется на множество маленьких капелек, которые затем вновь соединяются в соответствующую жидкость.

Покачайте брелок. Вы увидите, как утопленная до границы раздела двух жидкостей фигурка начнет плавно покачиваться на цветных волнах, в то время, как наверху волны «куда, как круче».

Возникновение замедленного волнообразного движения подкрашенной жидкости можно объяснить наличием прозрачной жидкости над нею.

Возмущение нижней жидкости приводит в движение и верхнюю жидкость. На поверхности прозрачной жидкости, сверху которой находится уже воздух, образуют обыкновенные поверхностные волны.

Появление волн на границе раздела двух жидкостей разной плотности объясняет одну из легенд норвежских рыбаков: «весной на море просыпаются эльфы, которые затрудняют движение рыбацких лодок по воде. В результате лодки не могут уже двигаться так быстро, как раньше».

В действительности же весной в северных широтах из-за таяния льда и снега на небольших участках поверхности морей и океанов может наблюдаться такое явление, как «мертвая вода».

На поверхности соленой тяжелой морской воды скапливается слой более легкой пресной растаявшей воды, которую даже можно пить.
Разница в солености этих слоев, следовательно, и в их плотности, очень велика.

Чаще этот слой состоит из смеси пресной воды и мелкого льда. Продвижение лодок и даже кораблей в этих слоях, которые легче основной соленой воды, практически невозможно. Пресная вода как бы движется вместе с судном, а само оно перемещается по тяжелой соленой воде, как по твердой опоре.

Сопротивление движению лодок и даже больших кораблей в «мертвой воде» возникает благодаря внутренним волнам на поверхности раздела между соленой и пресной водой.

Сопротивление движению корабля зависит от скорости его движения и может почти в 10 раз превышать сопротивление движению в обычной воде. Кроме того, оно возрастает и с увеличением разности плотностей соленой и пресной воды.

На воде могут возникать поверхностные волны двух типов: капиллярные волны (короткие волны) - рябь на воде, определяемые в основном поверхностным натяжением жидкости, и гравитационные волны (волны большой длины), обусловленные силой тяжести. И те, и другие волны распространяются со скоростью больше 0,23 м/с.

В общем случае скорость распространения поверхностных волн в жидкости:

На границе же двух не смешивающихся жидкостей различной плотности р1 и р2 возникают волны, где, при расчете скорости необходимо учитывать различие в плотностях

В результате этих расчетов видно, что волны на границе раздела двух сред имеют меньшую скорость при той же длине волны.

Диаграмма показывает зависимость скорости распространения волны от длины волны: зеленая линия - это гравитационные волны, красная – капиллярные волны, а также поверхностные волны на границе раздела двух жидкостей – желтая линия. Диаграмма показывает, что все эти поверхностные волны имеют схожие свойства при длине волн от 0,1 до 10 см.

Малые значения скорости волн, появляющихся на границе раздела жидкостей, могут объяснить, как, например, вылитое на поверхность воды масло, способно уменьшить волнение моря.

Источник: частично журн. "Physik in unserer Zeit"