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LABORATORIO SCIENTIFICO PER BAMBINI
Cucchiaio grande della natura. Laboratorio di scienze per bambini
Elenco / Laboratorio di scienze per bambini Nel febbraio 1970, non lontano dall'isola della Martinica nei Caraibi, tre scienziati americani - G. Stommel, L. Howard e D. Nergard - con invidiabile tenacia tentarono di spingere sott'acqua un budello di plastica lungo un chilometro, come quello che i giardinieri usano per innaffiare fiori e alberi. L'intestino flessibile si è aggrovigliato e si è rotto, causando molti problemi agli scienziati, ma hanno comunque raggiunto il loro obiettivo: alla fine, l'intestino è "appeso" verticalmente, dalla superficie dell'acqua a una profondità di 1000 metri. E poi gli scienziati hanno visto quello che volevano vedere: hanno testato sperimentalmente le proposizioni teoriche espresse 14 anni prima da G. Stommel, A. Arong e D. Blengard nell'opera "Oceanographic Riddle", e si sono assicurati che queste disposizioni fossero vere. Gli autori di questo lavoro teorico, dopo aver studiato la distribuzione della densità dell'acqua in base alla sua salinità e temperatura in diverse aree dell'Oceano Mondiale a diverse profondità, sono giunti alla conclusione che se, ad esempio, nel Mar dei Sargassi vicino alle Bermuda, un rame tubo, diciamo, lungo 1000 metri, è abbassato verticalmente e un diametro interno di 2 centimetri in modo che l'estremità non sporga troppo in alto sopra l'acqua, quindi sarà possibile osservare un fenomeno sorprendente, che gli autori hanno chiamato "eterno fontana di sale". Per avviare questa fontana basta collegare l'estremità superiore del tubo alla pompa, accenderla e tenerla accesa esattamente il tempo necessario a sollevare una porzione di acqua meno salata da mille metri di profondità. Dopodiché, la pompa può essere scollegata e l'acqua del tubo zampillerà da sola. Il fatto è che la pompa aspira acqua fredda, meno salata dell'acqua negli strati più alti, nel tubo da un segno di mille metri. Salendo, l'acqua si riscalda un po', ricevendo calore attraverso le pareti del tubo dall'acqua un po' più calda degli strati superiori. Le pareti di rame del tubo forniscono lo scambio di calore, ma non lo scambio di sale, in modo che l'acqua nel tubo diventi più calda mentre sale, rimanendo leggermente salata, e quindi relativamente meno densa. Pertanto, una colonna d'acqua contenuta in un tubo è più leggera di un'equivalente colonna d'acqua all'esterno del tubo. La differenza di peso dà origine a una differenza di pressione, che alla fine fa salire l'acqua meno salata lungo il tubo. Se l'estremità del tubo non sporge troppo in alto sopra la superficie, allora ci sarà una pressione in eccesso sufficiente per azionare la "fontana perpetua" e dall'estremità sporgente del tubo uscirà continuamente acqua meno salata. Questo processo continuerà fino a quando l'acqua nel Mar dei Sargassi non sarà ben miscelata, cioè quasi all'infinito.
Dopo aver ricevuto una fontana di sale alta 60 centimetri, gli scienziati hanno improvvisamente iniziato a dubitare: e se non la differenza di densità, ma le onde sulla superficie fanno salire l'acqua? Le onde muovono un tubo flessibile ed elastico attaccato al galleggiante, e forse lo trasformano in una specie di pompa, che alimenta solo di energia la "fontana eterna". La ripetizione dell'esperimento con un tubo rigido ha permesso di fugare i dubbi: anche in questo caso la fontana di sale ha funzionato. Proviamo a prendere una fontana di sale e noi. Non hai bisogno di un tubo chilometrico per questo, e invece delle Bermuda, dobbiamo solo andare in cucina. E l'oceano tropicale, dove l'acqua è più calda e salata in superficie e più fredda e meno salata in profondità, modelleremo usando un'ampia padella. Avremo anche bisogno di un bicchiere di plastica, diciamo, da sotto il formaggio Volna, sul fondo del quale dovrebbe essere praticato un foro con uno spillo.
Per cominciare, versa acqua fredda del rubinetto nel pan-ocean in modo che la profondità di questo strato inferiore sia di 3-4 centimetri. Mettiamo un bicchiere di plastica con un buco capovolto nell'acqua. Ora, con molta attenzione, per evitare di mescolare il più possibile, versiamo acqua tiepida nella padella fino a quando dal foro del bicchiere non fuoriesce acqua fredda. E infine, simuliamo lo strato superficiale dell'oceano tropicale - per questo (sempre con estrema cautela) verseremo un sottile strato di acqua salata calda sopra lo strato di acqua calda. L'Oceano è pronto. Se ora fai cadere vernice o inchiostro sul foro della tazza, puoi vedere che una piccola fontana d'acqua sgorga dal foro, simulando una fontana di sale oceanica. L'acqua che esce dalla tazza ha all'incirca la stessa temperatura dell'acqua all'esterno alla stessa profondità, ma è meno salata, e quindi più leggera. Questo fa sì che l'acqua fuoriesca dalla tazza. La fontana funzionerà fino a quando il sale e il calore non saranno distribuiti uniformemente in tutto il volume del nostro "oceano". dita di sale A causa del fatto che nelle soluzioni saline il calore si diffonde molto più velocemente del sale - circa - una volta su cento - nell'oceano, in determinate condizioni, può esserci una specie di tubo di rame naturale, o meglio, molti piccoli tubi - canali invisibili attraverso quale movimento si verifica acqua nell'acqua. Se uno strato di acqua calda salata viene posto sopra uno strato di acqua fredda, non molto salata, sull'interfaccia si formano fontane di sale in miniatura, chiamate "dita di sale", - flussi di acqua meno salata battuti, separati l'uno dall'altro da fili cadenti di acqua più salata.
Non è stato possibile osservare le dita di sale direttamente nell'oceano, ma in cucina, per favore! Per fare questo, è sufficiente versare acqua calda salata colorata in un bicchiere di acqua fredda del rubinetto. Versare, ovviamente, dovrebbe essere molto attento, in modo che l'interfaccia tra acqua fredda e calda sia abbastanza chiara. Per ottenere una chiara interfaccia tra gli strati d'acqua nell '"oceano", D. Walker consiglia di versare acqua calda da una piccola altezza su un pezzo di tavola galleggiante; K. Stong consiglia di utilizzare un cerchio di carta calato su uno spago sulla superficie stessa dell'acqua fredda in un barattolo.
In pochi minuti, dopo che il modello sarà pronto, sull'interfaccia cresceranno delle dita di sale, lunghe da 1 a 5 centimetri e spesse circa un millimetro. Questo fenomeno dura a lungo, da alcuni minuti a diverse ore. L'emergere e lo sviluppo delle dita di sale può essere spiegato dall'eccitazione dell'onda, che deforma l'interfaccia inizialmente calma. Le gocce di acqua fredda salgono in acqua calda e viceversa. A causa della differenza nella velocità di propagazione del calore e di diffusione del sale, le goccioline che si trovano in cima alla linea di demarcazione si limitano sostanzialmente a riscaldarsi, la concentrazione di sale in esse difficilmente cambia, diventano più leggere e continuano a salire; le goccioline che si trovano al di sotto della linea di demarcazione emanano calore, si raffreddano, si appesantiscono e affondano.
A causa delle grandi perdite di calore attraverso le pareti del recipiente, l'esperimento con le dita in un ambiente caldo-salato non sempre ha successo immediato. Il fisico inglese S. Turner propose per l'esperimento un più razionale sistema sale-zucchero formato da due soluzioni. La prima soluzione è dolce-salata: due cucchiaini e mezzo di sale e un cucchiaino di zucchero semolato per bicchiere di acqua del rubinetto. La seconda soluzione è dolce-salata: due cucchiaini di zucchero e un cucchiaino di sale in un bicchiere di acqua di rubinetto. Innanzitutto, una soluzione dolce-salata viene versata in un barattolo di vetro: forma lo strato inferiore dell'intero sistema. Poi, con molta attenzione, mantenendo l'interfaccia, si versa nello stesso barattolo la soluzione dolce-salata; deve essere colorato (inchiostro "Arcobaleno" - blu o rosso). Le dita di sale appariranno entro un'ora e dureranno per diverse ore. La velocità di crescita delle dita in questo esperimento dipende dalla velocità di diffusione del sale e il loro stesso aspetto è dovuto al fatto che il sale si diffonde più velocemente dello zucchero. Lo strato superiore (dolce-salato) ha una densità inferiore a quello inferiore e il confine tra gli strati, a quanto pare, dovrebbe essere stabile. Ma un'instabilità iniziale casuale fa scendere una piccola quantità della soluzione zuccherina e il sale penetra nel rigonfiamento risultante più velocemente di quanto lo zucchero si diffonda nella salamoia circostante. Il rigonfiamento con l'aggiunta di sale diventa più denso dell'ambiente circostante e precipita verso il basso, formando un dito. Allo stesso modo, un piccolo rigonfiamento di acqua salata dallo strato inferiore e più denso, penetrando verso l'alto nella soluzione dolce-salata, perde il suo sale più velocemente di quanto acquisisca lo zucchero, diventa più leggero dell'ambiente circostante e si precipita verso l'alto sotto forma di un dito in crescita. Oscillatore di sale E infine, un'altra straordinaria esperienza basata sulla differenza di densità tra acqua dolce e salata. Per l'esperimento, avrai bisogno di un barattolo di vetro di verdure in scatola o di un sottile bicchiere da tè, una cartuccia di alluminio da sotto validol o una pellicola fotografica. Puoi anche usare un bicchiere di plastica da sotto una medicina. Forare il fondo del bicchiere con un ago, preferibilmente riscaldato, in modo che i bordi del foro siano lisci. È facile praticare un foro in una cartuccia di alluminio con lo stesso ago.
Versa dell'acqua fredda nel barattolo quasi fino all'orlo. Preparare acqua salata (da uno a un cucchiaino e mezzo di sale per bicchiere d'acqua), colorarla con inchiostro arcobaleno (blu o rosso). Fissare la tazza in un supporto di cartone praticando un foro in base al diametro della tazza. Quindi abbassalo nel barattolo e, mentre versi la soluzione salina, assicurati che il livello dell'acqua nel bicchiere diventi leggermente più alto che nel barattolo. Ora guarda cosa succede. L'acqua salata più densa e pesante inizia a fluire attraverso il foro nel bicchiere nell'acqua dolce. Si può presumere che scorrerà uniformemente fino a quando il livello di salamoia nel bicchiere diminuirà così tanto che la pressione della salamoia in uscita sarà uguale alla pressione dell'acqua fresca nel vaso a livello del foro. Sembra che stia accadendo tutto. Il flusso colorato si assottiglia e scompare. Tutto? No, dopo un po' il getto riappare e scompare di nuovo. Questo va avanti per un bel po' di tempo.
Quello che accade nel bicchiere nel momento in cui il getto si è fermato è facile intuirlo, ricordando la prima esperienza: c'è una fontana di acqua fresca - dal fondo del bicchiere, più precisamente, dal buco, fresca, cioè, più leggero, l'acqua sale attraverso lo spessore della salamoia. Se l'acqua dolce fosse colorata, potremmo osservare questa fontana. Così, è stato ottenuto un certo sistema oscillatorio, che è stato chiamato "l'oscillatore del sale di Martin" dal nome dello scienziato che per primo ha scoperto questo effetto nel 1970. Il periodo di oscillazione dell'oscillatore dipende principalmente dalle dimensioni del foro e dalla temperatura dell'acqua dolce. Il funzionamento dell'oscillatore si basa sugli stessi meccanismi degli esperimenti precedenti.
R. Il sistema è in equilibrio. Sotto il buco nel bicchiere c'è acqua fresca e fredda; sopra il buco c'è un liquido più denso, salamoia. B, C. L'emergere dell'instabilità di Rayleigh-Taylor, "oscillazione" e l'inizio del flusso verso l'alto di acqua dolce. Un oscillatore salino, scrive D. Walker, è un esempio di un sistema che inizia a oscillare dopo l'autoeccitazione a causa dell'instabilità di Rayleigh-Taylor (instabilità all'interfaccia di uno strato di un liquido più denso che giace sopra uno meno denso quando l'interfaccia è in equilibrio idrostatico), seguita da una rapida eccitazione (accumulo) all'interfaccia tra due liquidi. In altre parole, nel nostro esperimento, nonostante l'equalizzazione delle pressioni nel foro, uno strato di un liquido più denso che giace sopra uno strato di un liquido meno denso è instabile ed è soggetto ad alcune perturbazioni deboli e casuali. Tali perturbazioni generano un leggero rigonfiamento all'interfaccia tra due fluidi. A causa della differenza di densità, parte del liquido meno denso si trova sopra la vecchia interfaccia e parte del liquido più denso viene spinto verso il basso. Questa instabilità aumenta rapidamente, l'oscillatore salino inizia a funzionare. L'acqua dolce, penetrando verso l'alto, accelera il suo flusso attraverso il foro, perché è più leggera dell'acqua salata allo stesso livello dall'altra parte del foro. Una fontana di acqua dolce comincia a battere, e arriva un momento in cui questo getto interrompe il deflusso di acqua salata. Il pompaggio graduale dell'acqua nella tazza porta ad un aumento dell'altezza del liquido in essa contenuto e, di conseguenza, ad un aumento della pressione a livello del foro. La perdita d'acqua dal vaso riduce leggermente il livello dell'acqua in esso, poiché il vaso è più largo della tazza. Infine, arriva un momento in cui la pressione dell'acqua salata nel foro diventa abbastanza grande da ridurre e poi fermare completamente la fontana di acqua dolce. Il ciclo è finito. Ora c'è troppa acqua nella tazza e il getto riappare. A poco a poco, il flusso diminuisce fino a quando la pressione all'orifizio non viene nuovamente equalizzata. Quindi qualche perturbazione casuale provoca nuovamente un rigonfiamento sull'interfaccia: appare una fontana di acqua dolce. Pertanto, il flusso si alterna: su o giù: questo è l'oscillatore salino. La portata dipende dal diametro del foro della tazza e dalla viscosità del liquido. Come nell'esperimento precedente, puoi provare altri liquidi, è importante solo che differiscano per densità e non si mescolino, come, ad esempio, la miscela di alcol e acqua. D. Walker riferisce di aver provato a lavorare con acqua, leggermente colorata di blu, e una soluzione di melassa, colorata di rosso, e ha osservato, secondo lui, uno spettacolo quasi favoloso. Per il dispositivo dell'oscillatore, S. Martin ha utilizzato una siringa medica. Il periodo di oscillazione era in questo caso pari a 4 secondi e il periodo di funzionamento dell'oscillatore era di 20 cicli. Il nostro oscillatore con una cartuccia di alluminio di validol, calata in un bicchiere da tè, ha funzionato con un ciclo di 10 secondi per un'ora.
Un grande oscillatore, costituito da un barattolo da cinque litri e da una bottiglia di polietilene di candeggina Iskra-2, in una soluzione salina leggermente addolcita con zucchero e fortemente colorata con inchiostro blu, emetteva un lungo getto con un ciclo di 20 secondi. Oltre all'"ombrello" del vortice all'estremità della corda, che appare all'inizio di ogni ciclo, qui si possono osservare anche anelli di vortice. Si muovono verso il basso, si sorpassano, si penetrano a vicenda e si confondono sul fondo del barattolo. Alcuni degli anelli sono stati fotografati.
Abbiamo parlato di tre esperimenti basati sulle differenze nella densità del sale e dell'acqua dolce. In natura, la miscelazione verticale delle acque oceaniche, causata dalla differenza di densità, è di grande importanza per la vita dell'intero oceano. Grazie a lui il calore solare, assorbito da un sottile strato d'acqua, si diffonde nelle profondità. (Riferimento da TSB: uno strato spesso solo 1 centimetro assorbe il 94% dell'energia solare incidente sulla superficie della normale acqua di mare e la salamoia formava una zona di acqua calda di 44,2 ° C. con una salinità di 123 grammi per chilogrammo. Interesse per questi le depressioni sono anche causate dal fatto che nei sedimenti di fondo è stato riscontrato un contenuto maggiore di zinco, rame, piombo, argento e oro - nello strato superiore di sedimenti di 10 metri si sono accumulati (secondo stime preliminari) per un valore di 2,5 miliardi di dollari . Anche gli scienziati sovietici hanno preso parte allo studio di queste depressioni sulle navi Akademik Sergey Vavilov e Vityaz. Gli scienziati suggeriscono che l'età della salamoia nelle depressioni sia di circa 10000 anni. Un altro esempio di tale anomalia è il lago Vanda in Antartide. Direttamente sotto il ghiaccio, l'acqua al suo interno è fresca e la sua temperatura è di 0 ° C, ea una profondità di 220 metri la temperatura dell'acqua è già di 25 ° C e la salinità è di circa 150 grammi per chilogrammo. Come si sono formate le depressioni saline? Con quale precisione puoi determinare l'età della salamoia contenuta in essi? Gli scienziati hanno difficoltà a rispondere a queste domande. Per fare ciò, bisogna imparare a calcolare la velocità di miscelazione convettiva di salamoia calda e densa con acqua fredda meno salata situata sopra. È necessario studiare a fondo il meccanismo d'azione del "cucchiaio grande" nell'oceano. letteratura:
Autore: V.Lagovskij
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