 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( январь 2021 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это шаблонное сообщение ) |
Декартовой водолаз или декартово дьявол является классической наукой экспериментом , который демонстрирует принцип плавучести ( Архимеда принципа ') и закон идеального газа . Первое письменное описание этого устройства предоставлено 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 как игрушка, которая, как говорят, у него есть. был изобретен им. [ необходима цитата ]
Этот принцип используется для изготовления маленьких игрушек, которые часто называют «водные танцоры» или «водяные дьяволы». Принцип тот же, но вместо этого пипетка заменяется декоративным предметом с такими же свойствами, который представляет собой трубку с почти нейтральной плавучестью, например пузырь из выдувного стекла . Если повернуть хвост стеклянного пузыря, поток воды внутрь и из стеклянного пузыря вызовет вращение. Это заставляет игрушку вращаться, когда она опускается и поднимается. Пример такой игрушки - изображенный здесь красный «дьявол». Устройство также имеет практическое применение для измерения давления в виде жидкости .
Пластиковых водолазов раздавали в американских коробках из-под хлопьев в качестве платных подарков в 1950-х годах, а «Дайвинг Тони», версия игрушки , созданная по образцу талисмана Келлогга « Тигр Тони» из « Frosted Flakes» , стала доступной в 1980-х.
Описание эксперимента [ править ]
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, так что она почти нейтрально плавучая , но все же достаточно плавучая. что он плавает наверху, будучи почти полностью погруженным. Могут быть построены два альтернативных «ныряльщика». Одна герметичная, но гибкая, а другая герметичная стеклянная (фонарик без металлического основания) с волнистыми нитками внизу. Гибкий будет сжимать уменьшающийся объем, а твердый стеклянный не изменится, но пузырьки воздуха будут захвачены волокнами и будут подвергаться давлению - таким образом изменится объем.
«Нырок» происходит, когда гибкая часть большего контейнера вдавливается внутрь, увеличивая давление внутри большего контейнера, заставляя «ныряльщика» опускаться на дно до тех пор, пока давление не исчезнет, когда он поднимается обратно на поверхность. Если емкость жесткая, как в случае стеклянной бутылки, пробка, закрывающая бутылку, будет вдавлена внутрь или вытянута наружу.
Существует только достаточно воздуха в водолаза , чтобы сделать это положительно плавучим . Таким образом, водолаз плавает на поверхности воды. В результате закона Паскаля сжатие воздухонепроницаемого контейнера увеличивает давление воздуха, часть давления которого действует на воду, которая составляет одну «стенку» герметичного контейнера. Эта вода, в свою очередь, оказывает дополнительное давление на воздушный пузырь внутри водолаза; поскольку воздух внутри водолаза сжимаемый, но вода является несжимаемой жидкостью, объем воздуха уменьшается, но объем воды не увеличивается, так что внешнее по отношению к водолазу давление а ) заставляет воду, уже находящуюся в водолазе, дальше внутрь и b) нагнетает воду извне водолаза в водолаза. Когда воздушный пузырь становится меньше и в водолаза попадает больше воды, дайвер вытесняет воду, которая меньше его собственного веса, поэтому она становится плавучей и тонет в соответствии с принципом Архимеда . Когда давление на контейнер сбрасывается, воздух снова расширяется, увеличивая вес вытесняемой воды, и ныряльщик снова приобретает положительную плавучесть и плавает.
Можно было подумать, что если бы вес вытесненной воды точно соответствовал весу ныряльщика, она не поднималась бы и не тонула, а плавала бы в середине сосуда; однако на практике этого не происходит. Если предположить, что такое состояние должно было существовать в какой-то момент, любое отклонение дайвера от его текущей глубины, даже небольшое, изменит давление, оказываемое на пузырь в водолазе из-за изменения веса воды над ним в судне. . Это неустойчивое равновесие. Если ныряльщик поднимается даже на самую незначительную величину, давление на пузырь уменьшится, он расширится, вытеснит больше воды, и дайвер станет более плавучим, поднимаясь еще быстрее. И наоборот, если дайвер упадет на наименьшее количество воды, давление увеличится, пузырек сузится, появится дополнительная вода, дайвер станет менее плавучим, а скорость падения увеличится по мере дальнейшего повышения давления воды. Это положительное усиление усилит любое отклонение от равновесия, даже вызванное случайными тепловыми колебаниями в системе. Существует диапазон постоянного приложенного давления, позволяющего дайверу либо плавать на поверхности, либо опускаться на дно.но чтобы он плавал в теле жидкости в течение продолжительного периода времени, потребовалось бы непрерывное регулирование приложенного давления.
Ныряльщики в овальной пластиковой бутылке приобретают новые интересные свойства. Действительно, овальная бутылка может увеличиваться в объеме при сжатии, и если это произойдет, утонувший ныряльщик сможет подняться. [1]
Заметки [ править ]
- ^ а б в Панов (2018), с. 11−16
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с картезианскими дайверами . |
- научно-популярный 2020
- Приложение на JavaScript для симуляции декартовых водолазов
- Java-апплет, показывающий, как работает декартово дайвер
- Ребекка Хопман и Кэтрин Вичорек, « Создание картезианских дайверов: тогда и сейчас»
- Ричард Фрейзер, Философская игрушка
- Карраскер, Дж., Альварес, М. В., и Понц, А. (2014). Выставка «Танцуй, танцуй, чертишки», взгляд на Историю картезианского дьявола через образы. Теруэль: Университет Сарагосы, http://web-ter.unizar.es/cienciate/expo/en/index.html
- Панов, Алексей (2018). Декартов дайвер
