Танець циліндра: як бульбашки газу керують гравітацією

Чи може звичайний предмет самостійно підніматися та опускатися у воді, не маючи двигуна? Виявляється, для цього достатньо лише пляшки газованої води та законів фізики, які ми вивчаємо у школі.

У чому суть явища?

Коли ми занурюємо металопластиковий циліндр у звичайну (негазовану) воду, він одразу йде на дно. Це відбувається тому, що його середня густина більша за густину води (ρт > ρв), і сила тяжіння переважає виштовхувальну силу Архімеда.

Однак у газованій воді картина кардинально змінюється. Через деякий час циліндр починає повільно підніматися до поверхні, ніби він став легшим за повітря.

Чому він спливає?

Газована вода насичена розчиненим вуглекислим газом (CO2). Металопластикова поверхня циліндра має мікроскопічні нерівності, які стають "центрами кристалізації" для газу. Бульбашки CO2 починають активно виділятися з розчину і прикріплюватися до стінок циліндра.

Тут вступає в дію проста арифметика фізики:

• Збільшення об'єму: Бульбашки газу, що прилипли до тіла, фактично стають його частиною, збільшуючи загальний об’єм витісненої рідини.

• Зменшення середньої густини: Оскільки газ має дуже низьку густину, середня густина системи "циліндр + бульбашки" стає меншою за густину води.

• Перемога сили Архімеда: Згідно із законом Архімеда, на тіло діє виштовхувальна сила FА = ρв ·g · V. Зі збільшенням об'єму (V) ця сила зростає, доки не перевищить силу тяжіння, і циліндр спливає.

Чому він знову тоне?

Як тільки циліндр досягає поверхні, бульбашки газу опиняються на межі розподілу води та повітря. Вони лопаються або відриваються, випускаючи газ в атмосферу.

Фізичний результат

Загальний об'єм системи миттєво зменшується, середня густина знову зростає, і сила тяжіння знову тягне предмет на дно.

Нескінченний цикл

Цей процес повторюється знову і знову: на дні на циліндр знову "сідають" нові бульбашки газу, піднімаючи його вгору. Цей "танець" триватиме доти, доки вода не "видихнеться" - тобто поки концентрація розчиненого вуглекислого газу не стане занадто низькою для утворення достатньої кількості бульбашок.

Цікавий факт

Схожий механізм використовують деякі водні комахи та павуки (наприклад, павук-сріблянка), які захоплюють бульбашку повітря під воду, щоб дихати та регулювати власну плавучість.