Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Что заставляет их подниматься? Конечно же, сила Архимеда, которая действует на любое погруженное в жидкость тело; она равна весу перемещенного объема воды. Из этой силы, направленной вверх, следует вычесть противоположную силу сопротивления воды, значение которой тем выше, что больше скорость пузырька. В начале восхождения скорость пузырька небольшая, и сопротивление воды незначительно: пузырек все быстрее и быстрее поднимается к поверхности. За несколько сантиметров его скорость становится достаточно большой, чтобы сила сопротивления скомпенсировала силу Архимеда; установившаяся скорость пузырька при этом зависит только от его радиуса (см. главу 15, врезку «Движение пузырьков и турбулентность»).

Формирование пузырьков

Почему при нагревании воды образуются пузырьки, каким газом они наполнены? Поначалу это пузырьки растворенного в воде воздуха (см. главу 14, «Пузырьки шампанского»). По мере того как температура воды возрастает, пузырьки все больше и больше заполняются водяным паром. Для того чтобы пузырек радиуса R был «жизнеспособен», давление внутри него должно превышать внешнее давление на величину δP = 2σ/R, где σ – коэффициент поверхностного натяжения воды. Эта дополнительная величина называется давлением Лапласа (см. главу 6, «Формула Лапласа»). В нашем случае внешнее давление – это давление жидкости, то есть оно практически равно атмосферному (давление столба жидкости в чайнике пренебрежимо мало по сравнению с атмосферным). Что же касается давления внутри пузырька, то оно определяется суммой давлений содержащегося в нем воздуха и насыщенного пара. Последнее – это давление пара, находящегося в равновесии со своей жидкостью при заданной температуре. С ростом температуры давление насыщенного пара очень быстро возрастает (см. таблицу). Поэтому пузырьки в первую очередь появляются именно на более горячем дне чайника. Но даже там зарождение пузырька происходит непросто: ведь вначале, пока радиус пузырька еще мал, давление Лапласа, которому следует противостоять воздуху и пару, очень велико! Опыты показали, что возникновение пузырьков чаще всего происходит на дефектах дна чайника, где условия для зарождения более благоприятны: начальный размер пузырька определяется характерным размером дефекта (илл. 2). При этом говорят, что подобное зарождение гетерогенно, в отличие от гомогенного зарождения – в случае, если пузырьки появляются в объеме жидкости.