מעבדה מדעית לילדים
כפית גדולה של טבע. מעבדת מדע לילדים בפברואר 1970, לא הרחק מהאי מרטיניק שבאיים הקריביים, שלושה מדענים אמריקאים - ג'י סטומל, ל' הווארד וד' נרגרד - ניסו בהתמדה מעוררת קנאה לנהוג במעי פלסטיק באורך קילומטר מתחת למים, כמו זה ש גננים נוהגים להשקות פרחים ועצים. המעי הגמיש הסתבך ונשבר, וגרם להרבה צרות למדענים, אבל הם בכל זאת השיגו את מטרתם: בסופו של דבר, המעי "תלוי" אנכית - מפני השטח של המים לעומק של 1000 מטר. ואז המדענים ראו את מה שהם רצו לראות: הם בדקו בניסוי את ההצעות התיאורטיות שהובעו 14 שנים קודם לכן על ידי ג'י סטומל, א' ארונג וד' בלנגר בעבודה "חידה אוקיאנוגרפית", ודאגו שההוראות הללו נכונות. מחברי העבודה התיאורטית הזו, לאחר שחקרו את התפלגות צפיפות המים בהתאם למליחותם ולטמפרטורתם באזורים שונים של האוקיינוס העולמי בעומקים שונים, הגיעו למסקנה שאם, למשל, בים סרגסו ליד ברמודה, נחושת. צינור, נניח, באורך של 1000 מטר, מונמך אנכית ובקוטר פנימי של 2 סנטימטר כדי שהקצה לא יבלוט גבוה מדי מעל המים, אז ניתן יהיה לצפות בתופעה מדהימה, שהכותבים כינו "הנצחי מזרקת מלח". כדי להפעיל את המזרקה הזו, מספיק לחבר את הקצה העליון של הצינור למשאבה, להפעיל אותה ולהשאיר אותה דולקת בדיוק כמה זמן שנדרש כדי להעלות מנת מים פחות מלוחים מעומק של אלף מטרים. לאחר מכן, ניתן לנתק את המשאבה, והמים מהצינור יזרקו מעצמם. העובדה היא שהמשאבה שואבת מים קרים, פחות מלוחים ממים בשכבות גבוהות יותר, לתוך הצינור מסימן של אלף מטר. בעלייה, המים מתחממים מעט, מקבלים חום דרך דפנות הצינור מהמים החמים מעט יותר של השכבות העליונות. דפנות הנחושת של הצינור מספקות חילופי חום, אך לא חילופי מלח, כך שהמים בצינור מתחממים ככל שהם נעים למעלה, נשארים מעט מלוחים, ולכן יחסית פחות צפופים. לפיכך, עמוד מים הכלול בצינור קל יותר מעמודת מים מקבילה מחוץ לצינור. ההבדל במשקל גורם להפרש בלחץ, שבסופו של דבר גורם למים הפחות מלוחים לעלות במעלה הצינור. אם קצה הצינור אינו בולט גבוה מדי מעל פני השטח, אזי יהיה מספיק לחץ עודף כדי להפעיל את "המזרקה התמידית", ופחות מים מלוחים יישפכו ללא הרף מהקצה הבולט של הצינור. תהליך זה יימשך עד שהמים בים סרגסו יתערבבו היטב, כלומר כמעט ללא הגבלת זמן.
לאחר שקיבלו מזרקת מלח בגובה 60 סנטימטר, החלו מדענים לפתע לפקפק: מה אם לא ההבדל בצפיפות, אבל הגלים על פני השטח גורמים למים לעלות למעלה? הגלים מזיזים צינור גמיש ואלסטי המחובר לצוף, ואולי הופכים אותו למעין משאבה, שפשוט מזינה את "המזרקה הנצחית" באנרגיה. החזרה על הניסוי עם צינור קשיח אפשרה להעלים ספקות: מזרקת המלח עבדה גם במקרה זה. בואו ננסה להשיג מזרקת מלח ואנחנו. לא צריך צינור של קילומטר בשביל זה, ובמקום ברמודה אנחנו פשוט צריכים ללכת למטבח. ואת האוקיינוס הטרופי, שבו המים חמים ומלוחים יותר על פני השטח וקרים יותר ופחות מלוחים בעומק, נדגמן באמצעות מחבת רחבה. נצטרך גם כוס פלסטיק, נניח, מתחת לגבינת וולנה, שבתחתיתה יש לנקב חור בסיכה.
מלכתחילה, שפכו מי ברז קרים למחבת האוקיינוס כך שעומק השכבה התחתונה הזו יהיה 3-4 סנטימטרים. שמנו כוס פלסטיק עם חור הפוך במים. כעת, בזהירות רבה, כדי להימנע ככל האפשר מערבוב, נשפוך מים חמימים למחבת עד שיופיעו מים קרים מהחור בכוס. ולבסוף, בואו נדמה את שכבת פני השטח של האוקיינוס הטרופי – לשם כך (שוב בזהירות רבה) נשפוך שכבה דקה של מים מלוחים חמים על גבי שכבת המים החמים. האוקיינוס מוכן. אם תפילו כעת צבע או דיו על החור בכוס, תוכלו לראות שמזרקת מים קטנה פועפת מתוך החור, המדמה מזרקת מלח אוקיינוס. למים הזורמים מהכוס יש בערך אותה טמפרטורה כמו המים שמחוץ לו באותו עומק, אבל הם פחות מלוחים, ולכן קלים יותר. זה גורם למים לזרום החוצה מהכוס. המזרקה תפעל עד שהמלח והחום יתפזרו באופן שווה בכל נפח ה"אוקיינוס" שלנו. אצבעות מלח בשל העובדה שבתמיסות מלוחות חום מתפשט הרבה יותר מהר ממלח - בערך פעם במאה - באוקיינוס, בתנאים מסוימים, יכול להיות סוג של צינור נחושת טבעי, או ליתר דיוק, הרבה צינורות קטנים - תעלות בלתי נראים דרך איזו תנועה מתרחשת מים במים. אם מניחים שכבה של מים מלוחים חמים מעל שכבת מים קרים, לא מאוד מלוחים, אז נוצרות על הממשק מזרקות מלח מיניאטוריות, הנקראות "אצבעות מלח", - זרמי מים פחות מלוחים מופקים, מופרדים זה מזה על ידי מחרוזות נופלות של מים מלוחים יותר.
לא ניתן היה לצפות באצבעות מלח ישירות באוקיינוס, אלא במטבח, בבקשה! כדי לעשות זאת, יש צורך רק לשפוך מים חמים מלוחים כהים לתוך כוס מי ברז קרים. לשפוך, כמובן, צריך להיות זהיר מאוד, כך הממשק בין מים קרים וחמים יהיה ברור למדי. כדי לקבל ממשק ברור בין שכבות המים ב"אוקיינוס", ד' ווקר מייעץ לשפוך מים חמים מגובה קטן על פיסת קרש צף; ק.סטונג ממליצה להשתמש בעיגול נייר שהונמך על חוט עד לפני השטח של מים קרים בצנצנת.
בעוד מספר דקות, לאחר שהדגם מוכן, יצמחו אצבעות מלח על הממשק, באורך של 1 עד 5 סנטימטרים ובעובי של כמילימטר. תופעה זו נמשכת זמן רב למדי – ממספר דקות ועד מספר שעות. ניתן להסביר את הופעתה והתפתחותן של אצבעות מלח על ידי עירור גלים, אשר מעוות את הממשק הרגוע בתחילה. טיפות מים קרים עוברות למים חמים ולהיפך. בשל השוני בקצב התפשטות החום ודיפוזיית המלח, הטיפות שנמצאות על גבי הקו המפריד בעצם רק מתחממות, ריכוז המלחים בהן כמעט ולא משתנה, הן נעשות קלות יותר וממשיכות לעלות; טיפות שמוצאות את עצמן מתחת לקו המפריד פולטות חום, מתקררות, הופכות כבדות יותר ושוקעות.
עקב הפסדי חום גדולים דרך דפנות הכלי, הניסוי באצבעות בסביבה מלוחה-חמה לא תמיד מצליח מיד. הפיזיקאי האנגלי ס' טרנר הציע לניסוי מערכת מלח-סוכר רציונלית יותר שנוצרה על ידי שני פתרונות. הפתרון הראשון הוא מלוח-מתוק: שתיים וחצי כפיות מלח וכפית סוכר מגורען לכל כוס מי ברז. הפתרון השני הוא מתוק-מלוח: שתי כפיות סוכר וכפית אחת של מלח בכוס מי ברז. ראשית, תמיסה מלוחה-מתוקה נמזגת לצנצנת זכוכית - היא מהווה את השכבה התחתונה של המערכת כולה. ואז, בזהירות רבה, תוך שמירה על הממשק, הפתרון המתוק-מלוח נמזג לאותה צנצנת; זה חייב להיות גוון (דיו "קשת" - כחול או אדום). אצבעות מלח יופיעו תוך שעה ויחזיקו מעמד מספר שעות. קצב הגדילה של האצבעות בניסוי זה תלוי בקצב דיפוזיית המלח, ועצם הופעתן נובעת מכך שמלח מתפזר מהר יותר מסוכר. לשכבה העליונה (מתוק-מלוח) יש צפיפות נמוכה מזו התחתונה, והגבול בין השכבות, כך נראה, אמור להיות יציב. אבל חוסר יציבות ראשונית אקראית שולחת כמות קטנה של תמיסת הסוכר למטה, והמלח חודר לבליטה שנוצרה מהר יותר מאשר הסוכר מתפזר לתמיסת המלח שמסביב. הבליטה בתוספת מלח הופכת צפופה יותר מסביבתה וממהרת למטה ויוצרת אצבע. באותו אופן, בליטה קטנה של מי מלח מהשכבה התחתונה והצפופה יותר, החודרת כלפי מעלה לתוך התמיסה המתוקה-מלוחה, מאבדת את המלח שלה מהר יותר משהיא רוכשת סוכר, הופכת קלה יותר מסביבתה, וממהרת כלפי מעלה בצורה של אצבע גדלה. מתנד מלח ולסיום, עוד חוויה מדהימה המבוססת על ההבדל בצפיפות של מלח ומים מתוקים. לצורך הניסוי תזדקקו לצנצנת זכוכית מירקות משומרים או כוס תה דקה, מחסנית אלומיניום מתחת ל-validol או סרט צילום. אתה יכול גם להשתמש בכוס פלסטיק מתחת לתרופה כלשהי. מחוררים את תחתית הכוס במחט, רצוי מחוממת, כך ששולי החור יהיו חלקים. קל לנקב חור במחסנית אלומיניום עם אותה מחט.
יוצקים מים קרים לתוך הצנצנת כמעט עד השפה. מכינים מי מלח (כפית עד כפית וחצי מלח לכוס מים), גוון אותם עם דיו קשת בענן (כחול או אדום). קבעו את הכוס במחזיק קרטון על ידי חיתוך בו חור לפי קוטר הכוס. לאחר מכן מורידים אותו לתוך הצנצנת ותוך כדי מזיגת תמיסת המלח וודאו שמפלס המים בכוס יהיה מעט גבוה יותר מאשר בצנצנת. עכשיו תראה מה קורה. מי המלח הצפופים והכבדים יותר מתחילים לזרום דרך החור בכוס לתוך המים המתוקים. ניתן להניח שהיא תזרום באופן שווה עד שרמת התמלחת בכוס תרד עד כדי כך שלחץ התמלחת היוצאת שווה ללחץ המים המתוקים בצנצנת בגובה החור. נראה שהכל קורה. הזרם הכהה נעשה דק יותר ונעלם. את כל? לא, לאחר זמן מה הסילון מופיע שוב ושוב נעלם. זה נמשך די הרבה זמן.
קל לנחש מה קורה בכוס בזמן שהסילון נעצר, כשזוכרים את החוויה הראשונה: ישנה מזרקה של מים מתוקים - מתחתית הכוס, ליתר דיוק, מהחור, טרי, כלומר, קל יותר, המים עולים דרך עובי התמלחת. אם מים מתוקים היו כהים, היינו יכולים לצפות במזרקה הזו. כך התקבלה מערכת תנודה מסוימת, אשר נקראה "מתנד המלח של מרטין" על שם המדען שגילה את ההשפעה הזו לראשונה ב-1970. תקופת התנודה של המתנד תלויה בעיקר בגודל החור ובטמפרטורה של המים המתוקים. פעולתו של המתנד מבוססת על אותם מנגנונים כמו בניסויים קודמים.
א. המערכת נמצאת בשיווי משקל. מתחת לחור בכוס יש מים קרים טריים; מעל החור נוזל צפוף יותר, מי מלח. B, C. הופעת חוסר היציבות של ריילי-טיילור, "תנופה" ותחילת זרימת המים המתוקים כלפי מעלה. מתנד מלח, כותב ד' ווקר, הוא דוגמה למערכת שמתחילה להתנדנד לאחר עירור עצמי עקב חוסר יציבות ריילי-טיילור (אי יציבות בממשק של שכבה של נוזל צפוף יותר השוכנת מעל לשכבה פחות צפופה כאשר הממשק נמצא בשיווי משקל הידרוסטטי), ואחריו עירור מהיר (הצטברות) בממשק בין שני נוזלים. במילים אחרות, בניסוי שלנו, למרות השוואת הלחצים בחור, שכבה של נוזל צפוף יותר השוכבת מעל שכבה של נוזל פחות צפוף אינה יציבה ונתונה לכמה הפרעות חלשות ואקראיות. הפרעות כאלה מייצרות בליטה קלה בממשק בין שני נוזלים. בשל הפרש הצפיפות, חלק מהנוזל הפחות צפוף נמצא על גבי הממשק הישן וחלק מהנוזל הצפוף יותר נדחף כלפי מטה. חוסר היציבות הזה מתגבר במהירות, מתנד המלח מתחיל לפעול. מים מתוקים, החודרים כלפי מעלה, מאיצים את זרימתם דרך החור, מכיוון שהם קלים יותר ממי מלח באותה מפלס בצד השני של החור. מזרקה של מים מתוקים מתחילה לפעום, ומגיע רגע שבו הסילון הזה עוצר את יציאת מי המלח. שאיבת מים לתוך הספל מובילה בהדרגה לעלייה בגובה הנוזל המצוי בה, וכתוצאה מכך לעלייה בלחץ בגובה החור. איבוד המים מהצנצנת מפחית מעט את רמת המים בה, שכן הצנצנת רחבה יותר מהכוס. לבסוף, מגיע הרגע שבו הלחץ של מי מלח בתוך החור הופך גדול מספיק כדי להפחית, ואז לעצור לחלוטין את מזרקת המים המתוקים. המחזור הסתיים. כעת יש יותר מדי מים בכוס והסילון מופיע שוב. בהדרגה, הזרימה פוחתת עד שהלחץ בפתח משתווה שוב. ואז איזו הפרעה אקראית שוב גורמת לבליטה בממשק - מזרקה של מים מתוקים מופיעה. לפיכך, הזרימה מתחלפת: למעלה או למטה - זהו מתנד המלח. קצב הזרימה תלוי בקוטר החור בכוס ובצמיגות הנוזל. כמו בניסוי הקודם, אפשר לנסות נוזלים אחרים, חשוב רק שהם יהיו שונים בצפיפות ולא יתערבבו, כמו למשל אלכוהול ומים. ד' ווקר מדווח שהוא ניסה לעבוד עם מים, בצבע כחול מעט, ותמיסה של מולסה, בגוון אדום, וראה, לדבריו, מחזה כמעט מדהים. עבור המכשיר של המתנד, S. Martin השתמש במזרק רפואי. תקופת התנודה הייתה במקרה זה שווה ל-4 שניות, ותקופת הפעולה של המתנד הייתה 20 מחזורים. המתנד שלנו עם מחסנית אלומיניום מבית validol, הוריד לתוך כוס תה, עבד עם מחזור של 10 שניות במשך שעה.
מתנד גדול, עשוי מצנצנת של חמישה ליטר ובקבוק פוליאתילן של אקונומיקה איסקרה-2, בתמיסת מלח מומתקת מעט בסוכר ובגוון כבד בדיו כחולה, נתן זרם ארוך עם מחזור של 20 שניות. בנוסף ל"מטריית" המערבולת שבקצה המיתר, המופיעה בתחילת כל מחזור, ניתן לצפות כאן גם בטבעות מערבולת. הם נעים למטה, עוקפים, חודרים זה לזה ומטשטשים ממש בתחתית הפחית. חלק מהטבעות צולמו.
דיברנו על שלושה ניסויים המבוססים על הבדלים בצפיפות של מלח ומים מתוקים. בטבע, לערבוב האנכי של מי האוקיינוס, הנגרם מהבדל בצפיפות, יש חשיבות רבה לחיי האוקיינוס כולו. הודות לו, חום השמש, הנספג בשכבת מים דקה, מתפשט למעמקים. (התייחסות מ-TSB: שכבה בעובי 1 סנטימטר בלבד סופגת 94% מאנרגיית השמש הנופלת על פני מי הים הרגילים ותמלחת יצרו אזור מים חמים של 44,2 מעלות צלזיוס עד למליחות של 123 גרם לק"ג. עניין באלה שקעים נגרמות גם מהעובדה שבמשקעים התחתונים נמצאה תכולה מוגברת של אבץ, נחושת, עופרת, כסף וזהב - בשכבת המשקעים העליונה של 10 מטרים הם הצטברו (לפי הערכות ראשוניות) בשווי של 2,5 מיליארד דולר. . מדענים סובייטים השתתפו גם במחקר של שקעים אלה על הספינות Akademik Sergey Vavilov ו- Vityaz. מדענים טוענים שגיל המלח בשקעים הוא כ-10000 שנים. דוגמה נוספת לאנומליה כזו היא אגם ונדה באנטארקטיקה. ישירות מתחת לקרח, המים בו טריים, והטמפרטורה שלו היא 0 מעלות צלזיוס, ובעומק של 220 מטר טמפרטורת המים היא כבר 25 מעלות צלזיוס, והמליחות היא כ-150 גרם לק"ג. איך נוצרו שקעי מלח? באיזו מידה ניתן לקבוע את גיל התמלחת הכלולה בהם? מדענים מתקשים לענות על שאלות אלו. לשם כך, יש ללמוד כיצד לחשב את קצב הערבוב הסעה של תמלחות חמות וצפופות עם מים קרים פחות מלוחים הממוקמים מעל. יש צורך ללמוד ביסודיות את מנגנון הפעולה של "הכפית הגדולה" באוקיינוס. ספרות:
מחבר: V.Lagovskiy אנו ממליצים על מאמרים מעניינים סעיף מעבדת מדע לילדים: ▪ מכונת תנועה מתמדת על פרמאפרוסט ראה מאמרים אחרים סעיף מעבדת מדע לילדים. תקרא ותכתוב שימושי הערות על מאמר זה. חדשות אחרונות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה: דרך חדשה לשלוט ולתפעל אותות אופטיים
05.05.2024 מקלדת Primium Seneca
05.05.2024 המצפה האסטרונומי הגבוה בעולם נפתח
04.05.2024
עוד חדשות מעניינות: ▪ מעבד ARM 7nm למכוניות בנהיגה עצמית ▪ חיישן ביומטרי אופטי בעובי 1 מ"מ ▪ תזונה שנבחרה היטב משפרת את הביצועים של ילדים עדכון חדשות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה
חומרים מעניינים של הספרייה הטכנית החופשית: ▪ חלק של האתר תיעוד נורמטיבי על הגנת העבודה. בחירת מאמרים ▪ מאמר פיזיולוגיה פתולוגית. עריסה ▪ מאמר מהו עירוי דם? תשובה מפורטת ▪ מאמר תחנת כוח לאופניים. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל ▪ מאמר מייצבי מתח ליניאריים בעלי יעילות גבוהה. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל כל השפות של דף זה בית | הספרייה | מאמרים | <font><font>מפת אתר</font></font> | ביקורות על האתר www.diagram.com.ua |