Осмос
При температуре ниже или около 0C столкновения между молекулами энергетически недостаточны для возбуждения колебательных движений атомов в молекулах кислорода. Зато при увеличении температуры воздуха от 20 до 55C молекулярное поглощение звука благодаря возбуждению колебательных движений в молекулах кислорода возрастает примерно в 2 раза.
В Калифорнии, например, при температуре около 55C и влажности в 2,5% во время штиля на частоте 3 кГц поглощение звука составляет 0,13 дБ/м.
В зоне умеренного климата на той же частоте при влажности 40% и отсутствии ветра оно равняется лишь 0,02 дБ/м.
Внутренняя энергия молекул азота слишком мала, чтобы влиять на поглощение звука. В углекислом газе поглощение звука становится значительным, начиная с частоты в 3 кГц, и в дальнейшем быстро растет.
Воздух, наполненный туманом, не может не вызывать добавочного поглощения и рассеяния звука. Затухание звука в тумане происходит благодаря его рассеиванию на каплях, так как капли участвуют в колебательном движении и испаряются при сжатиях звуковых волн.
Наблюдаемое иногда при редких туманах улучшение слышимости можно объяснить влиянием свойственной туману высокой влажности, наличием температурных инверсий, отклоняющих звуковые лучи к земле, и почти полным отсутствием ветра.
Обычно при подъеме над земной поверхностью температура атмосферного воздуха падает, при инверсиях наблюдается обратный ход температуры.
Английские аэронавты, поднимавшиеся во время тумана над Лондоном, наблюдали следующие любопытные явления. Во время поднятия шара в тумане ничего не было видно и все идущие от земли звуки были сильно ослаблены, благодаря чему казались очень отдаленными. Сразу после поднятия над слоем приземного тумана все звуки города были вновь хорошо слышны.
Из-за отсутствия перспективы при обзоре окружающего пространства и довольно сильного поглощения звука в облаках аэронавты ощущали изолированность от земли. Лишь иногда ее нарушали слабые звуки земли: гудки поездов, пенье петухов, лай собак.
Опознавание земных звуков затруднялось благодаря изменению их тембра в результате преимущественного поглощения в облаках высоких частот.
В практике мореплавания известны случаи, когда звуковые сигналы в тумане слышны на далеких расстояниях и одновременно не слышны на более близких. Если звуковой маяк и корабль не находятся в зоне тумана одновременно, то в зависимости от угла падения звуковых лучей на границу чистого воздуха и тумана возможно и сильное поглощение сигнала, и образование эха.
Лабораторные измерения показали, что в тумане с водностью 2-10-6 г/см3 при радиусе капель 6,25 10-4 см затухание звука на частоте 0,5 кГц составляет 0,016 дБ/м, на частоте 8 кГц оно значительно больше и достигает 0,04 дБ/м.
При изменении влажности и содержания в атмосфере пыли и ядер конденсации могут возникнуть условия, при которых распространение мощных ударных волн благодаря фазовым превращениям на их фронтальных границах становится видимым. В чистом воздухе, не насыщенном водяным паром, взрывные волны могут быть видимы за счет изменения показателя преломления на фронте волны в результате сильного сжатия.
В лабораторных условиях на фронте ударной волны в аргоне удавалось получать температуру до 30 000C. При этом газ сильно ионизировался, и за продвижением фронта волны можно было следить по исходившему от него яркому свечению.
В принципе подобные явления возможны и при мощных взрывах в атмосфере.
Видимые волны звука отмечались неоднократно. В 1906 году их наблюдали во время извержения Везувия, в 1910 году - при извержении Этны.
Во время войны 1914 года в низких облаках над стреляющими гаубицами нередко можно было видеть темные и светлые круги толщиной 4...6 угловых минут, быстро удалявшиеся в облаке, расположенном непосредственно над стреляющим орудием. Однажды бегущие по небу темные и светлые полосы наблюдались в ясный летний день с высокой влажностью после взрыва у земной поверхности 30 кг взрывчатого вещества. Во время Великой Отечественной войны в ясное и тихое утро без росы в одном из районов Западной Украины над местом разрыва бомб весом до 300 кг возникали маленькие темно-пепельного цвета дуги шириной в 4 угловые минуты.
Сначала медленно, а затем все быстрее дуги приближались к зениту. Перемещение дуг от горизонта к зениту занимало по времени 15 секунд.
У горизонта расстояние между дугами составляло 0,5... 1, в зените оно доходило до 5... 8. При каждом взрыве возникало от 2 до 4 концентрических дуг. Быстро пройдя через зенит, дуги уменьшались в размерах и исчезали на фоне неба.
Грохот взрыва был слышен во время прохождения дуг через зенит.
Иногда на фоне светлых перистых облаков можно видеть и баллистическую волну, возникающую в передней части летящего со сверхзвуковой скоростью самолета, Волна имеет вид темной полудуги с резко очерченным передним краем. Тыльная часть волны постепенно сливается с фоном облаков. За первой волной может следовать более слабая вторая. Длительность наблюдения явления достигает 10 сек.
При пролете через атмосферу крупных метеоритов видимые баллистические волны пока отмечены не были.
В головах комет нередко наблюдаются равномерно расширяющиеся круговые полосы (галосы). Скорость их распространения в верхнем пределе достигает нескольких километров в секунду. Наблюдениями установлено образование следующих друг за другом концентрических галосов с центром чаще всего (но не всегда) в ядре кометы.
Расположенные в плоскости галактического экватора, рукава Галактики также состоят из последовательности сгущений и разрежений, но уже в межзвездной среде - нейтральном водороде. Оба явления возникают в результате распространения в космическом пространстве ударных волн и имеют общие черты с развитием ударных волн в земной атмосфере.
Осмос
Если разделить воду и водный раствор какого-либо вещества пленкой (мембраной) животного или растительного происхождения, через нее будет происходить односторонняя диффузия растворителя к растворенному веществу. Когда такая пленка разделяет два раствора различной концентрации, растворитель переходит от раствора с меньшей концентрацией к раствору с большей концентрацией.
Проникновение растворителя к растворенному веществу через полупроницаемую перегородку получило название осмоса (греческое толчок, давление). За счет ударов тех молекул, которые не пропускаются мембраной, возникает одностороннее давление на мембрану - осмотическое давление.
Всасывающее действие мембраны может быть скомпенсировано избытком гидростатического давления со стороны более концентрированного раствора.
Явление осмоса открыто в 1805 году русским академиком Г.Ф. Парротом.
Голландский химик Я.Г. Вант-Гофф установил, что при постоянной температуре осмотическое давление возрастает пропорционально концентрации растворенного вещества, с повышением же температуры давление растет пропорционально первой степени температуры.
Осмосом объясняется оживление увядших цветов в воде, набухание семян, прорастание растений сквозь асфальтовое покрытие дорог и тротуаров. Если подрезать стебель растения у земли, можно наблюдать выделение из него соков под влиянием осмотического давления.
Вместе с соками при этом выделяется и поступающая через корни вода (плач растений).
В организме людей осмотическое давление составляет около 8 атм, у млекопитающих оно меняется в пределах 7,5...9 атм, а у костистых рыб - в диапазоне от 10 до 15 атм. У луговых растений осмотическое давление поддерживается на уровне 5...
10 атм, у солончаковых и пустынных - на уровне 60...80, иногда до 100 атм, а у семян при небольшой влажности приближается к 400 атм.
В эпоху построения египетских пирамид не существовало взрывчатых веществ. Для отвала скальных пород египтяне использовали явление осмоса. С этой целью в скале делалось отверстие, куда забивался деревянный клин. При поливании водой клин постепенно разбухал и раздвигал скальные стенки.
Так производился отвал породы. После этого крупные куски известняка на катках и полозьях перевозили к месту построения пирамид.
В последнее время осмос стали применять и при очистке сточных вод. Для этого резервуар со сточными водами отделяется от чистой воды полупроницаемой мембраной. Накладывая на такую систему давление, противоположное осмотическому, которое не только компенсирует осмотическое давление, но и значительно превышает его, заставляют молекулы растворителя проходить через полупроницаемую перегородку не в направлении разбавления раствора (обычном направлении осмоса), а в противоположном направлении.
При этом растворитель (вода) уходит из растворенного вещества, и сточные воды постепенно очищаются.
Где вода теплее?
Термический режим поверхностного слоя воды в морях и океанах обусловлен географическим положением акватории, метеорологическими условиями и течениями. Значительное влияние на температуру воды в морях и океанах оказывают также рельеф дна и сток пресных вод.
В прибрежных и мелководных участках температура значительно выше, чем над большими глубинами. Термический экватор (область наиболее высоких температур) в морях и океанах смещен в Северное полушарие.
Наиболее высокая температура поверхностного слоя воды - до 32,8C - наблюдается в августе в Мексиканском заливе, Флоридском проливе и в южной части Красного моря. В Красном море в августе предельно высокая температура удерживается более длительно, чем в других местах (повторяемость 60%). В Советском Союзе наиболее высокая температура (до 37,2C) отмечена в Каспийском море, в районе Бирючьей косы.
В Аральском море (в районе Актумсука) максимальная температура достигает 32,4C, в Азовском (у Таганрога) 32C, в Черном (у Николаева) 31,2C, в Японском (в бухте Угловой) 31,2C, в Охотском (у острова Байдукова) 25,9C и в Беринговом (у Петропавловска) 22,2C.
На термический режим рек, особенно небольших, значительное влияние оказывает климат окружающей местности. Поэтому температура воды в реках в низких широтах может быть значительно выше, чем в морях и океанах. Наивысшая температура поверхностного слоя воды в реках нашей страны отмечена на реке Таирсу (приток Аму-Дарьи) у кишлака Шахбур (до 45,2C). На реке Тилигул в Одесской области, которая впадает в лиман Тилигульский, у села Ново-Украинка была зарегистрирована температура 39,4C.
В большинстве случаев предельно высокие температуры воды в реках наблюдаются в течение одного дня. Однако повышенные температуры держатся дольше.
Так, на реках Ичгул и Кубань температура выше 25C держится до 20 дней, на Северном Донце до 30 дней, а на реках Туркмении и бассейна Аму-Дарьи 50...60 дней.
Используя разницу в температуре поверхностных и глубинных вод, можно из природных вод извлекать тепло и перерабатывать его на электростанциях в электроэнергию. Первая станция такого типа мощностью в 14 тыс. киловатт работает в Абиджане (Африка, Берег Слоновой Кости).
Холодную воду она получает из моря с глубины 500 м. Разность температур поверхностных и глубинных вод составляет здесь 10...15C.
Воды открытых водоемов имеют температуру, достаточную для испарения жидкостей с низкой температурой кипения. Температура пара легко кипящей жидкости может быть повышена за счет сжатия его в замкнутом резервуаре с помощью компрессора.
Во время первой мировой войны, когда в Швейцарию не подвозился уголь, получаемый таким образом пар было экономически выгодно использовать для подогрева воды в системах отопления.
Морозные узоры на окнах
Ледяные узоры на окнах представляют собой редкое по красоте зрелище. Среди многих видов морозных узоров чаще других встречаются дендриты (древовидные образования) и трихиты (волокнистые формы).
Характер кристаллизации воды на стекле во многом зависит от условий охлаждения. При охлаждении от 0 до - 6C и небольшой исходной упругости водяного пара на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда.
Для начального образования тонкого слоя такого льда в качестве затравок кристаллизации известную роль могут играть дефекты структуры поверхности, царапины. Однако в ходе дальнейшего развития процесса эти влияния полностью перекрываются общей картиной осаждения льда по всей охлаждающейся поверхности.
Если охлаждение поверхности оконного стекла начинается при положительной температуре и более высокой относительной влажности и в процессе охлаждения проходится точка росы, то на охлаждающейся поверхности сначала отлагается пленка воды, которая уже при отрицательных температурах закристаллизовывается в виде дендритов. Чаще дендритная кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где вследствие действия силы тяжести накапливается большее количество воды. Размеры дендритных кристаллов зависят от имеющегося для их образования материала.
В нижней части окна, где пленка воды толще, дендриты обычно имеют большие размеры. По мере перехода к верхней части окна размеры дендритов уменьшаются, В случае равномерной увлажненности стекла размеры дендритов примерно одинаковы. Дальнейшее охлаждение способствует отложению между дендритами, а затем и на дендритах тонких слоев пушистого льда.
Быстрые и значительные по величине переохлаждения дают мелкомасштабную дендритную кристаллизацию. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации: дендриты растут островками, их формы менее резко выражены, а размеры уменьшены в сравнении с нормальными условиями. Трихиты образуются у острых краев царапин на поверхности охлаждающегося твердого тела.
При этом вначале кристаллы образуют узкие параллельные полоски инея, вырождающиеся при дальнейшем охлаждении в достаточно плотные ледяные волокна, исходящие от основного стебля. В большинстве случаев как основное волокно, так и прилегающие к нему тонкие полоски инея слегка изогнуты.
При осаждении льда вблизи охлаждающейся поверхности отмечаются колебания температуры величиной до 0,5C, что указывает на существование в этой области ощутимой конвекции.
В метеорологии инеем называется отложение льда из влажного воздуха на достаточно охлажденную горизонтальную поверхность. Отложение рыхлого льда на стеклах окон имеет черты сходства с инеем, несмотря на вертикальное расположение охлаждающей поверхности.
Известно, что крепкая серная кислота хорошо поглощает воду. Если между рамами окна поставить стаканчик с такой кислотой, основное количество водяного пара из пространства между стеклами поглотится ею, и отложения льда на окне при не очень сильных морозах происходить не будет.
Тщательная теплоизоляция внешнего оконного стекла в местах его соприкосновения с рамой не допускает сильного охлаждения прилежащего изнутри к стеклу слоя воздуха, что также не благоприятствует осаждению льда на внутренней стороне стекла. С помощью этих мер затрудняется образование морозных узоров на окнах и обеспечивается необходимая прозрачность оконных стекол в зимнее время.
Сооружения изо льда
Предки современных эскимосов, населявшие арктическое побережье Северной Америки в районе залива Коронации и Медной реки, еще во второй половине первого тысячелетия нашей эры научились строить хижины изо льда. В большинстве это были небольшие хижины игло на семью из четырех человек (общественные постройки эскимосов для игр и праздников могли вмещать до 100 человек). Эти хижины имели куполообразную форму.
Внутренний диаметр обычной хижины составляет около 3 м при высоте от пола до потолка до 2 м. Куполообразная форма придает хижине повышенную прочность и сводит до минимума тепловые потери через внешнюю поверхность.
Для постройки хижины заготавливается около 60 снежных кирпичей размером 60х60х20 см3. При кладке кирпичи скрепляются водой. Вход в хижину ориентируется под углом 90 к направлению господствующих ветров.
При горении жировых светильников температура в хижине поддерживается около 2C. Если же в хижине развести очаг и стены покрыть шкурами животных или тентом, температура в ней на высоте 1,5 м над полом может быть поднята до 25C.
В Якутии иногда также создают ледяные хижины. Для этого деревянные жилые строения щедро обливают на морозе водой.
Образующаяся после замерзания воды довольно толстая корка льда способствует лучшему сохранению тепла в помещениях.
Лед представляет собой материал с небольшим пределом упругости. Его упругие свойства обычно проявляются при кратковременных нагрузках.
Под действием постоянных нагрузок (даже небольших) происходит пластическая деформация льда, лед медленно течет. Этим объясняется движение ледников в горах.
Разрушение льда происходит при деформации изгиба, начиная примерно с 15 кг/см2, и при сжатии от нагрузок порядка 30 кг/см2 и более.
Во время исторической битвы на Чудском озере в 1242 году Александр Невский, искусно используя природные условия, перевел битву с немецкими псами-рыцарями на участок не очень крепкого льда. Одетые в тяжелые доспехи, тевтонские рыцари в ходе боя создали настолько большую нагрузку на поверхность озера, что стали проваливаться под лед.
В 1740 году русская императрица Анна Иоановна ради забавы решила отпраздновать женитьбу шута на одной из придворных приживалок. Для этого в Петербурге на Неве был выстроен ледяной дом с площадью основания около 80 м2 и высотой до 6 м. Стены и пол дома были выложены ледяными плитами и скреплены водой.
Дом получился добротным и красивым, соответствующим церемонии, для которой был предназначен. Весной он растаял.
Как строительный материал лед использовался еще руководителями крестьянских восстаний Болотниковым и Пугачевым в военных целях. Для этого они обливал на морозе стога сена водой.
Через некоторое время вода замерзала и превращала каждый стог в солидную преграду. Конструкции изо льда могут возникать и без участия человека. Крупные обломки скал в виде каменных плит, падающих иногда с горных склонов на поверхность ледников, предохраняют находящийся под ними лед от таяния. Так как не защищенный от прямого воздействия солнечных лучей лед тает, каменная плита через некоторое время оказывается стоящей на ледяной ножке на поверхности ледника.
По мере того как подтаивает затем овеваемая теплым воздухом ножка, плита падает на поверхность ледника. Далее процесс может повторяться.
Небольшие камни на поверхности ледника, наоборот, довольно сильно нагреваются солнцем, расплавляют под собой лед и опускаются в него на некоторую глубину. В результате в леднике образуются ледяные стаканчики с камнями на дне. Подобные явления наблюдаются и в Арктике.
Так, через два года после снятия с льдины персонала и оборудования станции СП-2 была обнаружена та же льдина с остатками ранее существовавшего лагеря. Палатки научной станции находились теперь на довольно высоких ледяных столбах. Произошло это потому, что лед вокруг палаток свободно таял под действием лучей солнца, в то время как под палатками таяние было задержано: пол каждой из них был покрыт оленьими шкурами и брезентом. Немалую роль в истории нашей страны сыграли ледяные переправы.
Еще во время войны со шведами по льду Финского и Ботнического заливов переправлялись русские войска. В гражданскую войну ледяная переправа действовала на Азовском море (между Керчью и Таманским полуостровом).
В северных районах Советского Союза в прежние времена железнодорожное полотно нередко прокладывалось непосредственно по льду рек и озер (длительно существовавшая переправа через Байкал длиной в 45 км, переправа через Волгу у Саратова в 1928 году и через Северную Двину в Архангельске в 1943...1944 годах.).
Во время Великой Отечественной войны по льду Ладожского озера к осажденному Ленинграду проходила автомобильная дорога протяженностью в 27 км известная в истории как Дорога жизни. Чтобы ледяной покров под влиянием проходившего по нему потока автомашин не пришел в резонансные колебания и не разрушился, принимались специальные меры.
Для этого груз автомашин подбирался таким образом, чтобы частота свободных колебаний ледяного покрова отличалась от частоты, с которой воздействовали на ледяной покров подходившие автомашины.
После создания в Арктике и Антарктике первых исследовательских станций посадка самолетов на лед стала обычным явлением (самолеты садятся на лед толщиной не менее 1,5...2 м). Наибольшая нагрузка на лед в этом случае; имеет место не при начальном соприкосновении самолета со льдом, а при полной его остановке. При низких температурах посадка на лед более надежна, так как при этом больше и. толщина льда, и прочность ледяного покрова.
Морской лед менее прочен, чем пресноводный, зато более гибок и хорошо выдерживает посадку самолетов.
В 1942 году в Англии возникла идея создания авианосца из плавающего айсберга. Такой авианосец в принципе должен быть дешев. Ввиду того, что он представляет собой сплошную глыбу льда, ему не страшны торпеды и бомбы.
Совместными усилиями Англии и Канады такой ледяной корабль водоизмещением 2 млн. тонн был построен. Он имел форму параллелепипеда с толщиной стенок в 9 м и возвышался над водой на 15 м. В верхней части его располагалась взлетно-посадочная полоса размером 600х500 м2. На корабле было смонтировано 16 холодильных установок, которые поддерживали температуру стен около - 15C.
Благодаря работе 20 тысячесильных моторов айсберг мог перемещаться со скоростью 7 узлов в час. Все надстройки на нем возводились из смеси льда с древесными опилками: материал этот в 4 раза прочнее льда, обладает ковкостью и оказывает примерно такое же сопротивление взрыву, как бетон.
Авианосец был выстроен к тому времени, когда Советская Армия уже разгромила гитлеровскую Германию.
В этот же период появилась и новая техника - самолеты, которые могли совершать рейсы с весьма удаленных аэродромов. Все это сделало использование ледяных плавучих авиабаз нерациональным.
Первый в мире айсберг-авианосец так и не нашел себе применения. Многообразно применение льда в народном хозяйстве.
Зимой на севере Сибири с помощью льда укрепляют полотно зимних автотранспортных магистралей (зимников). В этих условиях приходится считаться со скольжением по льду.
Причиной скользкости льда является не плавление его под давлением, как думали раньше (для такого плавления был бы необходим быстрый подвод тепла), а плавление под действием тепла, развивающегося при трении. При движении конька по льду или лыжи по снегу в результате трения движущегося тела о поверхность выделяется значительное количество тепла, которое идет на расплавление льда и образование смазки. Натирание лыж специальными мазями улучшает скольжение, поскольку мази отталкивают воду (не смачиваются ею) и тем самым уменьшают сцепление воды и лыж.
При сильном понижении температуры воздуха тепла, которое выделяется вследствие трения, будет недостаточно для хорошего скольжения коньков и лыж, хотя давление на них при этом остается неизменным. В процессе таяния морского льда сначала плавится соляная прослойка, а затем лед.
Это обусловливает, в общем, более значительное трение при перемещении по морскому льду в сравнении со льдом пресноводным.
Строители Заполярья иногда используют в качестве строительного материала ледобетон. Так называют лед с включенной в него галькой. Ледобетон настолько прочен, что при работе с ним нередко ломаются даже стальные зубья экскаваторов.
Другим вариантом ледобетона является лед с добавлением к нему древесной пульпы (ледопласт). Материал этот выдерживает давление до 50 кг/см2 и может быть использован в качестве заменителя цемента при постройке плотин на реках Заполярья.
Армирование льда волокнистым материалом повышает предел его текучести и увеличивает прочность. При использовании хлопковых и древесных волокон прочность увеличивается в 2...3 раза, стекловолокно дает увеличение прочности до 8 раз.
Древесные опилки и размельченный торф, смоченные водой и нанесенные на поверхность льда, хорошо предохраняют от таяния складские помещения из льда и ледяные причалы. Промораживание водонасыщенных плывунных грунтов укрепляет стенки котлованов на стройках и избавляет от необходимости производить откачку воды, что приводит к удешевлению строительства.
Лед представляет собой прочный, дешевый и весьма распространенный в природе материал.
