Katru dienu simtiem miljonu virtuves visā pasaulē vārot ūdeni vairākas reizes dienā. Kāds uzreiz atgādina skolas mācību programmu, un viņa atmiņā parādās neparastais vārds “kavitācija”.
"Daži burbuļi pārsprāgst - un līdz ar to arī troksnis," izveicīgi mudina zemapziņa. Bet tikai daži cilvēki atceras precīzu procesa gaitu. Un turklāt tikai daži cilvēki zina, ka troksni vienlaikus rada divas parādības.
Kas vārās?
Kas vārās? Ir skaidra definīcija: "Vārīšanās ir iztvaikošana, kas vienlaikus notiek visā šķidruma tilpumā." Lai sāktu procesu, jāizpilda šādi nosacījumi:
- Iztvaikošanas centru klātbūtne;
- Pastāvīga siltuma ievade;
Šķidrums sasniedz noteiktu temperatūru, ko sauc par viršanas temperatūru.
Kāpēc verdošā ūdenī veidojas tvaika burbuļi?
Iztvaikošanas centri, ap kuriem sāk parādīties burbuļi, ir nelielas plaisas, taukaini plankumi un cietās daļiņas - putekļu daļiņas. Viņi notver nelielu gaisa daudzumu, un šķidrums notver gaisu, līdz tas sāk vārīties. Ūdens satur arī izšķīdušas gāzes: skābekli, slāpekli, oglekļa dioksīdu. Saites starp gāzes molekulām un ūdens molekulām ir vājas un karsējot ātri sabrūk. Kad izšķīdušā gāze izdalās, ūdens spiediens liek tai uzņemties energoefektīvāko - sfērisko formu. Izrādās burbuļi.
Pēc gāzes attīstības siltums sāk atdalīt šķidrās molekulas.Tvaika formas, kas izdalās jau izveidoto burbuļu iekšpusē. Tātad sākas vārīšanās process.
Vāra trokšņa cēloņi
Pirmās vārīšanās pazīmes var novērot tējkannas apakšā - tur ir visaugstākā temperatūra, tieši tur parādās pirmie burbuļi. Katrs no tiem satur gāzi un piesātinātu tvaiku. Kamēr burbulis ir mazs, to notur virsmas spraigums. Pēc tam ātri pārvietojošās ūdens molekulas, kas veido tvaikus, uzkrājas burbuļa iekšpusē, un tas sāk augt. Atslāņošanās notiek brīdī, kad Arhimēda spēks, nospiežot burbuli, kļūst lielāks par spriegojuma spēkiem, kas to tur. Burbulis tiek atbrīvots un steidzas uz virsmu
Atslāņošanās izraisa šķidruma vibrāciju. Šīs vibrācijas ir pirmais viršanas trokšņa iemesls.. Jūs varat novērtēt saņemtās skaņas frekvenci. Tas ir apgriezti proporcionāls laikam, kas nepieciešams burbuļa atraušanai no apakšas. Laiks tomēr raksturo svārstību spēku, ko izraisa atdalīšana.
Aprēķini parādīja, ka vidējais atdalīšanas laiks ir aptuveni 0,01 sekundes, kas nozīmē, ka skaņas frekvence ir aptuveni 100 Hz. Tieši šie dati ļāva zinātniekiem saprast, ka, tējkannai vāroties, trokšņiem bija kāds cits iemesls. Galu galā tika izmērīts reālais skaņas frekvence un izrādījās, ka tā ir lielāka par lielumu, nekā aprēķināts.
Trokšņa divējādo raksturu atklāja skotu zinātnieks Džozefs Blek. Tas notika 18. gadsimtā, viņa darba laikā Edinburgas universitātē.
Galvenais trokšņa avots verdošā ūdenī
Tas bija Džozefs Melns, kurš pirmais izpētīja vārīšanās procesu un noteica papildu trokšņa avotu. Viņš atklāja, ka ne visi burbuļi, kas nāk no apakšas un sienām, nonāk virsmā. Un pašā vārīšanās procesa sākumā ne viens burbulis nonāk virspusē - tie izzūd ūdens kolonnā.
Šī parādība zinātnieku tik ļoti ieinteresēja, ka viņš pavadīja vairākas negulētas naktis, mēģinot atrast burbuļu pazušanas iemeslu. Pētījumi ir palīdzējuši izdarīt pareizo secinājumu. Atbilde bija vienkārša - temperatūras starpība. To kustības sākumā burbuļi atrodas kuģa karstākajā daļā. Piesātināts tvaika spiediens ļauj viņiem saglabāt sfērisko formu.
Skaņas izmaiņas, vārot ūdeni
Virzoties augšup, burbuļi iekrīt vēsākajos slāņos. Tvaiks sāk kondensēties, spiediens iekšpusē pazeminās. Kādā brīdī viņš vairs nespēj noturēt savu formu un sabrūk. Burbuļu veidošanās, atdalīšanās un sabrukšanas parādīšanās vārīšanās laikā sauca par "kavitāciju". Tika veikti nepieciešamie aprēķini, kas parādīja, ka skaņas frekvence sabrukšanas laikā ir tuvu 1000 Hz vērtībai. Dati atbilst eksperimentāli izmērītiem parametriem. Kad šķidrums sakarst, burbuļi pārstāj sabrukt un mainās trokšņa līmenis. Skaņas frekvence ievērojami samazinās. Drīz, bez izņēmuma, visi burbuļi sasniedz virsmu. Troksnis mazinās, rodas "gurgle".
Burbuļu dzimšana, atdalīšana, pacelšanās un plīšana ir fiziska parādība, ko miljoniem cilvēku redz katru dienu. Bet vārīt ir grūtāk, nekā šķiet sākumā.Var izdalīt divus procesus: kavitācija un šķidruma svārstības burbuļa atdalīšanās laikā. Abas rada atšķirīgu skaņu, bet viena akustisko efektu ir viegli atšķirt no otra. Pēc trokšņa jūs varat viegli noteikt, kad tējkannā ūdens tiek uzkarsēts līdz vajadzīgajai temperatūrai.
