Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком (1040531), страница 21
Текст из файла (страница 21)
80. Ультразвуковые фонтаны на границах раздела масло— спирт (а), спирт — керосин (6). иие о размерах фокуса в зависимости от длины ультразвуковой волны). Если на двух последних рисунках изображены фонтаны, направленные в разные стороны от среднего 128 Рис. 78.
Ультразвуковой фонтаа на границе раздела свирт — керосин. В оиьгге нсиользоиаи иьезоэлектрнческнй излучатель ультРазвука иа честоту около.а 'МГН. Линза изготовлена из зубОиро. гееной Пластмассы «Протаирил». Рис. ?9. Ультразвуковые фонтаны на границах разлела масло — спирт, спирт — керосин и керосин — воздух. слоя жидкости, то на рнс. 81 показаны фонтаны, направленные навстречу друг другу. В линзовый сосуд слоями последовательно налиты четыреххлорнстый углерод, трансформаторное масло и подкрашенный Рнс. 3!. Направленные иввсгречу друг другу ультрвзвуковые фонтвны нп границах раздела четыреххларистый углерод— масло — спирт. а, б. в, с — ппслсдопатспьпнс стсвн псрспппс спирта. спирт. Прн прохождении ультразвука в таках условиях наблюдается любопытное явление: фонтаны, образованные на границах четыреххлористый углерод— масло и масло — спирт и направленные навстречу друг другу, соединяются; спирт и четыреххлористый углерод, взаимно растворяясь, окрашиваются, и получаюШийся раствор постепенно переходит вниз, занимая о в.
в. мсеср 129 область между четыреххлористым углеродом и маслом. Процесс зачастую продолжается до тех пор, пока поверх масла почти совсем не остается спирта: последний как бы перетекает вниз по каналу, образованному соединившимися фонтанами. На рнс, 81 уменьшение толщины слоя спирта не заметно потому, что выпуклый вверх мениск границы масло — спирт не позволяет увидеть этого.
Если перед опытом степки линзового сосуда слегка смазать трансформаторным маслом так, чтобы они не смачивались спиртом„ то описанное явление будет заметноособеннохорошо. Мы уже отмечали, что радиационное давление характерно для волн любой природы. Как выдумаете, можно ли, используя достаточно интенсивный световой пучок, полученный, например, с помощью мощного лазера, наблюдать аналогичные рассмотренным здесь явления? Задание 42.
Все фотографии ультразвуковых фонтанов на границах раздела жидкостей получены нами при использовании в качестве источников ультразвука пьезоэлектрических излучателей на частоты ! и 3 МГц. Мы не ставили аналогичных опытов с магнитострикциопными излучателями, Попробуйте наблюдать описанные выше явления, используя высокочастотные магнитострикционные излучатели ультразвука.
хльтэазвьковои напиппяэныи эффвнт Мы уже не раз обращали ваше внимание на то, как важно экспериментатору постоянно развивать свою наблюдательность. В этом смысле очень поучительно познакомиться с открытием, сделанным в 1973 г. академиком Е. Г. Коноваловым, Можно почти с полной уверенностью утверждать, что десятки ученых нс раз наблюдали явление, лежащее в основе открытия, и только Коновалов, нсследовав это явление, показал его принцяпиальную новизну.
Разберемся в сущности отрытого советским уче. ным ультразвукового капиллярного эффекта. Если в жидкость над вибратором ультразвукового излучателя опустить капилляр, то уровень жидкости в трубке будет выше, чем вне ее. Эффект капиллярного подня- 130 тия жидкости хорошо вам известен из школьного курса физики и объясняется действием сил поверхностного натяжения. Если теперь включить ультразвук, то столбик жидкости в капилляре станет еще выше.
И это явление нетрудно объяснить: ультразвуковая волна оказывает радиационное давление на поверхность жидкости в капилляре, и, поскольку оно направлено в сторону, противоположную направлению силы тяжести, жид- КО/сть поднимстся по капилляру. Если уровень жидкости вкапиллярепри включении ультразвука изменился иа высоту // (рис. 82), то радиационное давление, очевидно, равно .~ = рдй, -г где р — плотность жидкости„а д — ускорение свободного падения. По известному радиационному давлению можно вычислить интенсивность ультразвука Рис.
82. К изьгереггиго .//т гг * радиационного данле- /Е >С = /трегтг" тб2! нии с помощью каТаким образом, пользуясь ка- пнллира. пилляром, мОжнО измерить ин- е жнднкоетью, 8 — конеЙ феррнтоеого ннаркторе тенсивность ультразвука. ннккакеетотного нкеуте. Этот метод измерения интен- текн.
сивности давно известен и хорошо изучен. Что же нового обнаружил Коновалов в той области, где казалось бы все известно? Оказывается, что при определенных условиях жидкость в капилляре поднимается под действием ультразвуковой волны на высоту, в десятки и сотни раз превышающую ожидаемую при действии только радиационного давления! Поставьте опыты, подтверждающие существование ультразвукового капилляриого эффекта.
На столе вертикально расположите магнитострикциониый излучатель, иа вибраторе которого укреплена чашечка. В чашечку налейте воду и опустите в нее, ие касаясь вибратора, стеклянную трубку внутренним диаметром 0,5 — 2 мм, Включив генератор, получите ультразвук максимальной интенсивности. Вы заметите, что при бе 131 этом столбик воды в капилляре поднимается на высоту не более 1 — 3 мм. По формуле (52) нетрудно рассчитать, что такому изменению уровня воды соответствует интенсивность ультразвука менее 1 Вт/смз. Этот результат неплохо согласуется с теми, которые вы получили, измеряя интенсивность ультразвука в воде с помощью радиометра.
Теперь прикоснитесь концом трубки к вибратору и постепенно перемещайте его по торцу. При необходимости слегка подстройте генератор, Вы обнаружите„ Рис. 83. Опыт по ультразвуковому капнллярному эффекту. 132 Рнс. 84. К возможному объяснению физической сущности ультразнукпиого капиплярного эффекта. Стенки кнастичноа трубки ! периодически С>кимаются и разжимаются благодаря дазленюо со стороны иращающикся яаликон у цри этом жидкость из сосуча 3 подснмаетси по трубке. как вдруг рывками столбик воды в капилляре начнет расти и через несколько секунд поверхность жидкости окажется на высоте 50 — 60 мм (рис. 83). Если вы удачно подберете капилляр, вибратор из.
лучателя и хорошо настроите генератор, то сумеете добиться поднятия воды до высоты 20 — 30 см! Это, безусловно, новый эффект, который нельзя объяснить одним лишь радиационным давлением. Чем же объясняется столь неожиданное действие ультразвуковой волны? По-видимому, следует предположить, что здесь существенную роль играют ультразвуковые колебания капилляра. Можно предста. вить себе, что прв радиальных колебаниях стенки трубки, периодически сжимаясь и разжимаясь, действуют как своеобразный ультразвуковой насос, Об ратитесь к рис. 84, на котором изображен насос пз резиновой трубки.
сжимаемой вра>дающимися валиками. Если предположить, что в стенках капилляра устанавливается стоячая волна, то не будет ли она «работать» подобно этому насосу? Задание 43. Используя ультразвуковой капилляр'ный эффект, постройте «ультразвуковой водопровод»вЂ” устройство, в котором вода непрерывно поднималась бы по трубке вверх в течение всего времени работы излучателя.
Задание 44. Пользуясь капилляром, сравните радиационные давления, создаваемые в воде параллельным и сфокусированным с помощью линзы ультразвуковыми пучками. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КАВИТАЦИЯ При распространении ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности (всего несколько ватт на квадратный сантиметр) в жидкости возникает переменное звуковое давление, амплитуда которого достигает порядка нескольких атмосфер. Под действием этого давления жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Вы прекрасно знаете, что жидкость без существенного изменения ее свойств можно сильно с>кать. Иначе обстоит дело, если в жидкости создать разрежение: уже простое уменыпение давления над водой приводит к закипанпю— парообразованию внутрь воды.
Нечто аналогичное происходит и при распространении ультразвуковой волны в жидкости: растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидкости разрывов, т. е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки получили название кавитационных, а само явление стали называть ультразвуковой кавитацией. Кавитационпьге пузырьки в некоторой области жидкости возникают всякий раз, когда до этой области доходит фаза разрежения ультразвуковой волны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
