Картезианский ныряльщик
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( январь 2021 г. ) |
Картезианский ныряльщик или картезианский дьявол — это классический научный эксперимент, демонстрирующий принцип плавучести ( принцип Архимеда ) и закон идеального газа . Первое письменное описание этого устройства дано Рафаэлло Маджотти в его книге Renitenza certissima dell'acqua alla compresse (Очень устойчивое сопротивление воды сжатию), опубликованной в 1648 году. Оно названо в честь Рене Декарта, поскольку игрушка, как говорят, была изобретен им. [ нужна ссылка ]
Этот принцип используется для изготовления маленьких игрушек, которые часто называют «танцорами воды» или «водяными дьяволами». Принцип тот же, но пипетка заменяется декоративным предметом с теми же свойствами - трубкой с почти нейтральной плавучестью, например пузырем из выдувного стекла . Если хвост стеклянного пузыря повернуть, поток воды в стеклянный пузырь и из него создает вращение. Это заставляет игрушку вращаться, когда она тонет и поднимается. Примером такой игрушки является показанный здесь красный «дьявол». Устройство также имеет практическое применение для давления жидкости измерения .
Пластиковых дайверов раздавали в американских коробках из-под хлопьев в качестве бесплатной игрушки в 1950-х годах, а «Ныряющий Тони», версия игрушки, созданная по образцу компании Kellogg Frosted Flakes талисмана Тони Тигра , стала доступна в 1980-х годах.
Описание эксперимента [ править ]
- Захваченный воздух в соломинке придает дайверу легкую плавучесть, и он плавает.
- Сжатие бутылки увеличивает давление воды; по мере того как пузырь сжимается, плотность дайвера увеличивается, и он тонет.
Для эксперимента требуется большая бутылка, наполненная водой, внутри которой находится «ныряльщик»: маленькая жесткая трубка, открытая с одного конца, очень похожая на пипетку с достаточным количеством воздуха, чтобы иметь почти нейтральную плавучесть , но при этом достаточно плавучую. что он плавает вверху, будучи почти полностью погруженным в воду. Можно построить два альтернативных «дайвера». Одна герметичная, но гибкая лампочка, а другая — герметичная стеклянная колба (фонарик без металлического основания) с шерстяными нитями, тянущимися снизу. Гибкий будет сжиматься, уменьшая объем, а твердый стеклянный не изменится, но пузырьки воздуха будут захвачены волокнами и подвергнуты давлению – таким образом, изменится объем.
«Ныряние» происходит, когда гибкая часть большего контейнера прижимается внутрь, увеличивая давление внутри большего контейнера, в результате чего «дайвер» погружается на дно до тех пор, пока давление не сбрасывается, а затем он поднимается обратно на поверхность. Если контейнер жесткий, как в стеклянной бутылке, пробка, закрывающая бутылку, будет вдавлена внутрь или вытянута наружу.
ровно столько, Воздуха в дайвере чтобы обеспечить положительную плавучесть . Поэтому дайвер плавает у поверхности воды. В результате закона Паскаля сжатие герметичного контейнера увеличивает давление воздуха, часть которого оказывается на воду, составляющую одну «стенку» герметичного контейнера. Эта вода, в свою очередь, оказывает дополнительное давление на воздушный пузырь внутри дайвера; поскольку воздух внутри дайвера сжимаем, а вода представляет собой несжимаемую жидкость, объем воздуха уменьшается, но объем воды не расширяется, так что внешнее по отношению к дайверу давление а ) выталкивает воду, уже находящуюся в дайвере, дальше внутрь и б ) направляет воду снаружи дайвера внутрь дайвера. Как только воздушный пузырь становится меньше и в ныряльщика попадает больше воды, ныряльщик вытесняет воду, вес которой меньше его собственного веса, поэтому он приобретает отрицательную плавучесть и тонет в соответствии с принципом Архимеда . Когда давление на контейнер сбрасывается, воздух снова расширяется, увеличивая вес вытесненной воды, и дайвер снова приобретает положительную плавучесть и плавает.
Можно было бы подумать, что если бы вес вытесненной воды точно соответствовал весу ныряльщика, она бы не поднималась и не опускалась, а плавала бы посередине сосуда; однако на практике этого не происходит. Если предположить, что такое состояние должно было существовать в какой-то момент, любое отклонение дайвера от текущей глубины, даже небольшое, изменит давление, оказываемое на пузырь в дайвере из-за изменения веса воды над ним в сосуде. . Это неустойчивое равновесие . Если ныряльщик поднимется, даже на самую незначительную величину, давление на пузырь уменьшится, он расширится, вытеснит больше воды, и ныряльщик приобретет более положительную плавучесть, поднимаясь еще быстрее. И наоборот, если дайвер упадет на наименьшую величину, давление увеличится, пузырь сожмется, войдет дополнительная вода, дайвер станет менее плавучим, и скорость падения увеличится по мере дальнейшего повышения давления воды. Это положительное подкрепление усилит любое отклонение от равновесия, даже вызванное случайными тепловыми колебаниями в системе. Существует диапазон постоянного приложенного давления, который позволит дайверу либо плавать на поверхности, либо погружаться на дно, но чтобы он плавал внутри тела жидкости в течение длительного периода времени, потребуется постоянное манипулирование приложенным давлением.
Дайверы внутри овальной пластиковой бутылки приобретают новые интересные свойства. Действительно, овальная бутылка при сжатии может увеличиваться в объеме, и если это произойдет, утонувший дайвер сможет всплыть. [1]
Примечания [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б с Panov (2018), pp. 11−16
Внешние ссылки [ править ]
- научно-популярное 2020
- Приложение JavaScript для декартовой симуляции дайвера
- Java-апплет, показывающий, как работает декартовский дайвер
- Ребекка Хопман и Кэтрин Вичорек, «Становимся картезианскими дайверами: тогда и сейчас»
- Ричард Фрейзер, Философская игрушка
- Карраскер Дж., Альварес М.В., и Понц А. (2014). Выставка «Танцуйте, танцуйте, чертята», взгляд на историю картезианского дьявола через образы. Теруэль: Университет Сарагосы, http://web-ter.unizar.es/cienciate/expo/en/index.html
- Panov, Aleksei (2018). Cartesian diver