Юный техник, 2008 № 01
Шрифт:
С пароводяными смесями многие из нас встречались, даже того не подозревая. Бывает, повернешь водопроводный кран — и раздается грохот. Это вскипает вода, проходя через кран.
Откуда в кране может взяться столько тепла, чтобы вода вдруг вскипела? Вспомним, что температура кипения воды зависит от давления. Она кипит при 100 °C лишь при нормальном атмосферном давлении. Если же давление снизить, то снижается и температура кипения.
Так, в горах на высоте 3000 м вода кипит при 90 °C, а на высоте 16 тыс. м вода закипает при 18 °C.
При открывании крана вода начинает течь через узкий
При повороте крана образуется узкая щель. В ней вода течет с большой скоростью, давление понижается, и она закипает. Образуются пузырьки пара. В широком месте трубопровода пузырьки схлопываются.
Если воду пропустить через расширяющееся сопло, она может превратиться в пароводяную смесь, а скорость ее превысит скорость звука, допустимую в этой смеси. На срезе сопла возникнет скачок уплотнения — тонкий пароводяной слой с очень высоким давлением.
Подобные процессы подробно исследованы ведущими специалистами Автономного некоммерческого общества «Аспект-Конверсион» В.А. Коссом и его коллегами, и это позволяет продемонстрировать в школьных условиях обтекание тела сверхзвуковым потоком.
Абсолютная величина его скорости для природы процесса безразлична и на виде наблюдаемой картины не скажется. Потому и не стоит создавать поток воздуха с самолетными скоростями более 330 м/с, а можно ограничиться скоростями 6 — 10 м/с.
Вместо воздуха мы возьмем пароводяную смесь, содержащую по массе около 1–5 % водяного пара, для которой такие скорости — это уже скорость звука. Чтобы разогнать ее до такой скорости, нам потребуется в тысячи раз меньшая энергия, чем для разгона такого же количества воздуха.
На последнем рисунке изображена схема школьной установки для демонстрации картин сверхзвукового обтекания. Установка работает от водяного насоса, дающего давление 2,5–3 атм., а в городах для ее работы достаточно давления водопровода. Изучаемый предмет располагается в сверхзвуковом участке — расширяющейся части сопла. Но поскольку процесс необходимо наблюдать, сопло в этом месте нужно сделать прозрачным и плоским. (Такие сопла впервые применил великий немецкий аэрогидромеханик Людвиг Прандтль (1875–1953). Возникающие при обтекании ударные волны можно увидеть в теневой проекции, освещая сопло лампочкой от карманного фонаря в абажуре из черной бумаги.
Запускается установка следующим образом. Сначала получим на экране или белой стене теневую проекцию прозрачного сопла. После этого откройте кран и плавно увеличьте подачу воды. Постепенно вы увидите, что в сопле образовался пар, и в определенный момент в его расширяющейся части появится четкая тень скачка уплотнения. После этого
Установка для демонстрации спектров сверхзвукового обтекания:
1— сужающийся канал; 2— плоское сопло Лаваля; 3— изучаемое тело; 4— точечный источник света.
А. ИЛЬИН
ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
По следам маркиза Ворчестера
Если вы разбирали свой велосипедный насос, то заметили, что он очень прост. Но это лишь потому, что мощность его мала. А вообще-то насосы, как правило, очень сложны.
Часто вместо поршня цилиндрической формы в них применяются вытеснительные устройства, выполняющие ту же роль. Их придумано превеликое множество, и каждый месяц в мире патентуются десятки новых. Но вместе с тем изобретатели не теряют надежды создать насос предельно простой, вообще без движущихся элементов. Вот какой опыт поставил в 1661 г. маркиз Ворчестер (Англия). Пушечный ствол он наполнил водой на три четверти и заклепал. После этого развел под этой пушкой огонь… «По прошествии 24 часов она лопнула со страшным треском… я увидел, как вода била постоянным фонтаном в 40 футов высотой», — написал маркиз в своих дневниках. Опыт маркиза нетрудно повторить, использовав вместо пушки металлический пенал от лекарства. Заткните его пробкой, пропустив через нее тонкую трубочку. Если налить в пенал немного воды и подержать над огнем, то очень скоро вода закипит и из трубки начнет бить фонтан.
Маркизу Ворчестеру повезло, что он остался жив, и вы будьте осторожны. Вода в фонтане может быть горячей. Заранее наденьте защитные очки и вообще работайте лучше с учителем.
Рис. 1. Каких только насосов не придумало человечество!
Как вы убедились, тепло позволяет поднимать воду на значительную высоту. Но как поднять таким способом холодную воду, например, из подвала или шахты?
На протяжении веков водоподъемные машины работали на мускульной силе людей и животных. Лишь через 40 лет после опыта маркиза Ворчестера появилась первая водоподъемная машина, работавшая от тепла сгорания топлива. Создал ее англичанин Томас Сэвери.
Проделаем простой опыт.
Нальем в пластиковую бутылку горячую воду, завинтим пробку и быстро обольем холодной водой. Бутылка тотчас сомнется, а на стенках ее появятся капельки сконденсировавшегося пара. В бутылке возникло разрежение, и она была смята атмосферным давлением.