Một dòng nước và... một chiếc thuyền đang chuyển động

28

Một dòng nước và… một chiếc thuyền đang chuyển động

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
L. V. TARASOV,
M. L. TARASOV

Đã nhiều lần trên các trang của “Phòng thí nghiệm «Kvant»” một hiện tượng vật lý rất thú vị và quan trọng đã được đề cập - sự hiện diện của phản ứng vảy chảy ra và không có phản ứng của vảy chất lỏng chảy vào (xem «Kvant», 1978, số 9; 1980, số 9).
Số này xuất bản một bài viết khác về chủ đề này.

Hãy bắt đầu bằng câu chuyện về một món đồ chơi trẻ em bị lãng quên vô cùng nổi tiếng vào những năm 30. Nó được gọi là “Thuyền tự hành”. Hiện nay món đồ chơi này không còn được bán ở các cửa hàng nữa nhưng không khó để tự làm nó ở nhà hoặc trong vòng tròn “Đôi bàn tay khéo léo”.

Thiết bị của “Thuyền tự hành” được thể hiện ở hình 1. Trên thuyền 1 có một hộp phẳng cứng, kín 2, có thể làm nóng bằng nến 3 (trong các thí nghiệm hiện đại, tốt hơn nên sử dụng viên cồn khô cùng nhau). Một ống kim loại cong 4 thoát ra khỏi hộp dưới đáy thuyền (độ kín của các mối nối được đảm bảo bằng mối hàn 5). Để có hiệu quả tuyệt vời, một mặt của hộp có thể được chế tạo dưới dạng màng nhấp chuột (xem “Kỹ thuật trẻ”, 1983, Số 8, trang 65).

Đồ chơi này hoạt động như sau. Hộp thiếc chứa đầy nước (qua lỗ có nút 6) và đồ chơi được hạ xuống mặt nước. Sau đó ngọn nến được thắp lên. Sau một thời gian, con thuyền bắt đầu di chuyển - lúc đầu chậm rãi và nhẹ nhàng, sau đó giống như cá,

29

tạo ra âm thanh đặc trưng mô phỏng hoạt động của động cơ hơi nước. Cô ấy di chuyển liên tục trong khi ngọn nến đang cháy.

Bây giờ chúng ta hãy thử tìm hiểu xem tại sao “thuyền tự hành” lại chuyển động.

Khi chúng ta thắp một ngọn nến, nước trong hộp nóng lên và sôi (hình 2, a). Đồng thời, áp suất trong hộp tăng lên, nước bắt đầu chảy ra ngoài qua ống, thuyền bắt đầu chuyển động nhẹ nhàng và chậm rãi. Giai đoạn hoạt động đầu tiên của đồ chơi kết thúc khi nước trong hộp sôi hết.

Vì độ dẫn nhiệt của hơi nước thấp nên thực tế hơi nước không lấy nhiệt ra khỏi hộp và không nóng lên, nghĩa là nó không giãn nở. Hơn nữa, nó ngưng tụ trong ống (tại điểm tiếp xúc với nước), do đó áp suất trong hộp giảm xuống và nước dâng dần lên trong ống (hình 2, b). Đây là giai đoạn thứ hai trong quá trình hoạt động của đồ chơi.

Khi nước dâng qua ống lên đến đỉnh và một lượng nước nhất định tràn ra mép rơi xuống hộp nóng, nước sẽ bốc hơi tức thời. Trong trường hợp này, áp suất trong hộp sẽ tăng vọt và một lượng nước nhất định từ ống sẽ bị đẩy ra ngoài (hình 2, s). Đây là giai đoạn thứ ba trong quá trình hoạt động của đồ chơi.

Sau đó, trong khi ngọn nến đang cháy, giai đoạn thứ hai và thứ ba sẽ diễn ra. Khi ngọn nến tắt, chiếc hộp nguội đi, toàn bộ hơi nước ngưng tụ và chiếc hộp lại chứa đầy nước.

Có vẻ như không thể hiểu được làm thế nào bằng cách trộn cùng một lượng nước - được đẩy ra khỏi ống ở giai đoạn thứ ba và bị ống hút vào ở giai đoạn thứ hai - người ta có thể đạt được chuyển động tiến về phía trước của thuyền. Hóa ra toàn bộ vấn đề nằm ở sự tồn tại phản ứng của tia chất lỏng được đẩy ra và không có phản ứng của tia chất lỏng được đẩy ra.

Để minh họa rõ ràng thực tế này, chúng ta hãy chuyển sang một sản phẩm tự chế thú vị khác (hình 3) - một “thợ lặn Descartes” có gắn bánh xe Segner. (Cách làm đồ chơi này được mô tả trong «Kvant» Số 9 năm 1980.) Nếu bạn nhấn piston 1, áp suất trong bình 2 tăng lên, nước chảy qua