Εντυπωσιακό: Τα μαγικά παιχνίδια της Φυσικής με το χιόνι

Πριν από λίγες μέρες στο διαδίκτυο ανέβηκε μια ανάρτηση από την Σκωτία που μας δείχνει μια καταπληκτική φούσκα από πάγο. Και καθώς πίσω από όλα τα φαινόμενα “κρύβεται” η Φυσική, σκέφτηκα να πούμε δυο λόγια για το πώς και γιατί σχηματίζονται αυτές οι φούσκες.

Ας δούμε σε άλλο video πώς δημιουργούνται αυτές οι φούσκες:

Παρατηρήστε οτι ο πάγος αρχίζει να αναπτύσσεται κανονικά,, παγώνει πρώτα από το κάτω μέρος, εκεί όπου αγγίζει το χιόνι και επεκτείνεται προς τα πάνω, αλλά στη συνέχεια, ξαφνικά, στην επιφάνεια της φούσκας εμφανίζονται εκατοντάδες κρύσταλλοι που στροβιλίζονται. Το φαινόμενο αυτό καλείται ροή Marangoni ή φαινόμενο Gibbs-Marangoni . Σχετίζεται με τη μεταφορά μάζας κατά μήκος μιας διεπαφής μεταξύ δύο υγρών λόγω επιφανειακής τάσης. Στην περίπτωση της θερμοκρασιακής εξάρτησης, δηλαδή εκεί όπου έχουμε διαφορές θερμοκρασιών το φαινόμενο ονομάζεται θερμο-τριχοειδής ανάπτυξη (thermo-capillary convection)

Το φαινόμενο αυτό και συγκεκριμένα αυτή η ροή εντοπίστηκε για πρώτη φορά στα λεγόμενα «δάκρυα του κρασιού» από το φυσικό James Thomson (αδελφό του Λόρδου Kelvin) το 1855) ενω η ολοκληρωμένη εξήγηση δόθηκε από τον Ιταλό φυσικό Carlo Marangoni, ο οποίος μελέτησε το φαινόμενο στη διδακτορική του διατριβή στο Πανεπιστήμιο της Pavia και δημοσίευσε τα αποτελέσματά του το 1865. Μια ολοκληρωμένη θεωρητική αντιμετώπιση του φαινομένου δόθηκε από τον J. Willard Gibbs στο έργο του On the Equilibrium of Heterogeneous Substanceς Η θεωρητική εξήγηση φυσικά και δεν γίνεται σε αυτό το άρθρο, γιατί ξεφεύγει από τον σκοπό μας .

Το φαινόμενο αυτό συμβαίνει διότι στο ρευστό “αρέσει” να ρέει πάντα από τις θερμές περιοχές με χαμηλότερη επιφανειακή τάση, σε ψυχρές περιοχές με μεγαλύτερη επιφανειακή τάση. Έτσι οι κρύσταλλοι ρέουν από την παγωμένη επιφάνεια του χιονιού προς την θερμότερη κορυφή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το υγρό νερό περιέχει περισσότερη ενέργεια από το παγωμένο νερό, και αυτό σημαίνει ότι όταν το νερό παγώνει, αποβάλλει κάποια από αυτή την λανθάνουσα θερμότητα, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. Αυτά τα ρεύματα που δημιουργούνται είναι εκείνα που μεταφέρουν αυτούς τους στροβιλισμούς κρυστάλλων πάγου πάνω και γύρω από την σαπουνόφουσκα, δημιουργώντας πολλαπλά νέα σώματα ψύξης. Αρχικά αυτοί οι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι είναι πολύ μικροί για να μπορέσουμε να τους δούμε με το ανθρώπινο μάτι, αλλά μετά από περίπου ένα δευτερόλεπτο ροής Marangoni, εκατοντάδες μικροσκοπικά σωματίδια πάγου αναπτύσσονται μέσα στο λεπτό φιλμ, “ζεσταίνοντας” σύντομα το περιβάλλον υγρό. Αυτό, ωστόσο, δεν συμβαίνει πάντοτε και εξαρτάται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Παρακολουθείστε ένα άλλο παράδειγμα που οφείλεται στην επιφανειακή τάση, η οποία αναπτύσσεται μεταξύ δύο επιφανειών με πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά. Σε μια επιφάνεια νερού απλώνουμε πιπέρι και μετά ρίχνουμε από πάνω της μια σταγόνα σαπούνι. Δείτε τι συμβαίνει.

Ανάλογο φαινόμενο λόγω επιφανειακής τάσης συμβαίνει μεταξύ ενός λεκέ και ενός σαπουνιού, το οποίο βρίσκει εφαρμογή στα κλασσικά και τα σύγχρονα απορρυπαντικά !

Στάση και κίνηση εντόμων στην επιφάνεια του νερού

Τα έντομα κατά την κίνηση τους εκκρίνουν από την κοιλιά τους μία ουσία που μειώνει την επιφανειακή τάση του νερού πίσω από το σώμα τους (ενδεικτική μείωση από 73dyn/cm σε 50 dyn/cm που στο έντομο Microvelia προσδίδει ταχύτητα 17 cm/sec) και έτσι προωθούνται προς τα εμπρός. Εκμεταλλεύονται και αυτά την ροή Marangoni .

Ενα εύκολο πείραμα μπορούμε να κάνουμε στο σπίτι μας με μια οδοντογλυφίδα της οποίας το ένα άκρο το καλύπτουμε με σαπούνι. Αν τοποθετηθεί σε νερό τα επιφανειοδραστικά μόρια του σαπουνιού μειώνουν την επιφανειακή τάση και η οδοντογλυφίδα προωθείται μακριά από το διαλυμένο σαπούνι. Το πείραμα αυτό μπορείτε να το κάνετε όποτε θέλετε , απλά το άλλο, με την παγωμένη φούσκα περιμένετε να το κάνετε στην φύση όταν πιάσουμε κάτω απο -7 οC !!!

Διαβάστε τις Ειδήσεις από την Ελλάδα και τον κόσμο, με την αξιοπιστία και την εγκυρότητα του News247.gr.