Эффект горячего шоколада

Проявление эффекта горячего шоколада

Эффект горячего шоколада — это явление волновой механики , при котором звук, слышимый при постукивании по чашке с горячей жидкостью, повышается после добавления растворимого порошка. ^[1]^[2] Считается, что этот эффект происходит потому, что при первоначальном перемешивании пузырьки газа уменьшают скорость звука в жидкости, понижая частоту. По мере того как пузырьки очищаются, звук распространяется в жидкости быстрее, а частота увеличивается.

Имя

Эффект первоначально наблюдался при приготовлении растворимого кофе и разливании пива, но также встречается и в других ситуациях, например, при добавлении соли в перенасыщенную горячую воду или холодное пиво. Недавние исследования обнаружили еще много веществ, которые создают этот эффект даже в изначально непересыщенных жидкостях. ^[3]

Он был назван и популяризирован Фрэнком Кроуфордом из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, начиная с 1980 года после того, как на сам эффект указала ему Нэнси Штайнер, хотя в предыдущие десятилетия об этом эффекте сообщалось несколько раз. ^[4]

Описание

Эффект можно наблюдать, налив в кружку горячее молоко или горячую воду, добавив шоколадный порошок и постучав ложкой по дну кружки. Высота постукиваний будет постепенно увеличиваться независимо от скорости или силы постукиваний. Последующее перемешивание того же раствора (без добавления шоколадного порошка) снова постепенно уменьшит звук, а затем снова увеличит. Этот процесс можно повторить несколько раз, пока не будет достигнуто равновесие. ^[5] Музыкальных эффектов можно добиться, изменяя силу и время перемешивания, а также время постукивания. ^[6]

Объяснение

Явление объясняется влиянием плотности пузырьков на скорость звука в жидкости. Слышимая нота — это частота , стоячей волны где четверть длины волны — это расстояние между основанием кружки и поверхностью жидкости. Эта частота f равна скорости v волны , деленной на четырехкратную высоту водного столба h:

f={\frac {1}{4}}{\frac {v}{h}}

Скорость звука v в однородной жидкости или газе зависит от массовой плотности жидкости ( $\rho$ ) и адиабатический модуль объемного сжатия ( $K$ ), по формуле Ньютона-Лапласа:

v={\sqrt {\frac {K}{\rho }}}

Вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, а воздух примерно в 15 000 раз более сжимаем, чем вода. (Сжимаемость обратна объемному модулю $K$ .) Когда вода наполнена пузырьками воздуха, плотность жидкости все еще очень близка к плотности воды, но сжимаемость будет равна сжимаемости воздуха. Это значительно снижает скорость звука в жидкости. Длина волны постоянна для данного объема жидкости; поэтому частота (высота) звука будет уменьшаться, пока присутствуют пузырьки газа. ^[1]

Различные скорости образования пузырьков будут создавать разные акустические профили, что позволит дифференцировать добавляемые растворенные вещества. ^[3]^[7]^[8]

См. также

Широкополосная спектроскопия растворения акустического резонанса - спектроскопический метод, в котором этот эффект является основным принципом.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Фрэнк С. Кроуфорд, май 1982 г., «Эффект горячего шоколада», Американский журнал физики , том 50, выпуск 5, стр. 398–404, doi: 10.1119/1.13080 (только аннотация)
^ Фрэнк С. Кроуфорд, ноябрь 1990 г., «Горячая вода, свежее пиво и соль», Американский журнал физики , том 58, выпуск 11, стр. 1033–1036, doi: 10.1119/1.16268 (только аннотация)
^ Jump up to: ^а ^б Д. Фицпатрик и др. , март 2012 г., «Принципы и применение широкополосной акусто-резонансной резонансной спектроскопии растворения (BARDS): надежный подход к анализу соединений», Analytical Chemistry , том 84, выпуск 5, стр. 2202-2210, doi:10.1021/ac202509s
^ Кроуфорд, Фрэнк С. (декабрь 1980 г.), Эффект горячего шоколада (препринт) , Национальная лаборатория Лоуренса Беркли
^ Эффект горячего шоколада . Архивировано из оригинала 15 декабря 2021 г.
^ Эффект горячего шоколада (и создание музыки с его помощью) на YouTube
^ Д. Фитцпатрик и др. , 2012, «Анализ однородности смесей фармацевтических продуктов с помощью широкополосной акустической резонансной спектроскопии растворения (BARDS)», Международный журнал фармацевтики , том 438, выпуск 1–2, стр. 134–139, doi:10.1016/j.ijpharm.2012.07. 073
^ Д. Фицпатрик и др. , 2013, «Взаимосвязь между растворением, пересыщением газа и выделением газа из растворов, определенная с помощью широкополосной акусто-резонансной спектроскопии растворения (BARDS)», Аналитик , том 138, выпуск 17, стр. 5005-5010, doi:10.1039/C3AN36838F

Внешние ссылки

Звук чашки с растворимым кофе и без него: демонстрация акустики, наполненной пеной. Эндрю Моррисон и Томас Д. Россинг, 143-е собрание ASA, Питтсбург.
Видеодемонстрация эффекта горячего шоколада

[hotchocolate-1] Jump up to: ^а ^б Фрэнк С. Кроуфорд, май 1982 г., «Эффект горячего шоколада», Американский журнал физики , том 50, выпуск 5, стр. 398–404, doi: 10.1119/1.13080 (только аннотация)

[2] Фрэнк С. Кроуфорд, ноябрь 1990 г., «Горячая вода, свежее пиво и соль», Американский журнал физики , том 58, выпуск 11, стр. 1033–1036, doi: 10.1119/1.16268 (только аннотация)

[BARDS-3] Jump up to: ^а ^б Д. Фицпатрик и др. , март 2012 г., «Принципы и применение широкополосной акусто-резонансной резонансной спектроскопии растворения (BARDS): надежный подход к анализу соединений», Analytical Chemistry , том 84, выпуск 5, стр. 2202-2210, doi:10.1021/ac202509s

[4] Кроуфорд, Фрэнк С. (декабрь 1980 г.), Эффект горячего шоколада (препринт) , Национальная лаборатория Лоуренса Беркли

[5] Эффект горячего шоколада . Архивировано из оригинала 15 декабря 2021 г.

[6] Эффект горячего шоколада (и создание музыки с его помощью) на YouTube

[7] Д. Фитцпатрик и др. , 2012, «Анализ однородности смесей фармацевтических продуктов с помощью широкополосной акустической резонансной спектроскопии растворения (BARDS)», Международный журнал фармацевтики , том 438, выпуск 1–2, стр. 134–139, doi:10.1016/j.ijpharm.2012.07. 073

[8] Д. Фицпатрик и др. , 2013, «Взаимосвязь между растворением, пересыщением газа и выделением газа из растворов, определенная с помощью широкополосной акусто-резонансной спектроскопии растворения (BARDS)», Аналитик , том 138, выпуск 17, стр. 5005-5010, doi:10.1039/C3AN36838F

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]