Зимові прогулянки подарують нам безліч радісних моментів-крижані фарби природи, що тріщить сніг під ногами і, звичайно ж, кульки, якими так люблять розважатися дорослі і діти. Однак часто на морозі ми стикаємося з неприємним явищем - кулька починає здуватися і втрачати свою форму. У чому причина цього феномена і яку роль в цьому відіграє Фізика?
Вся справа в простому фізичному законі-Законі Джоуля-Томсона. Суть цього явища полягає в наступному: коли газ проходить через звуження, його температура зменшується. Це відбувається через зміну швидкості та напрямку молекул газу. При попаданні газу в область з більш низьким тиском відбувається розширення газу, а отже, його температура падає.
Саме на цьому принципі працюють кульки. Повітря всередині кульки нагрівається від нашого тіла, а потім при його розтягуванні його тиск падає і в результаті відбувається зниження його температури. Коли кулька нагрівається від сонця або від тепла наших рук, газ всередині розширюється і температура його падає. І тут настає морозне повітря, який вже сам по собі холодний. При контакті з холодним повітрям йде ще більше охолодження повітря всередині кульки.
Тому, не дивно, що кулька швидко здувається на морозі.
Чому кулька на морозі здувається?
Коли кулька потрапляє на морозну погоду, він починає здуватися через декількох фізичних факторів. По-перше, при низькій температурі газ, що знаходиться всередині кульки, починає стискатися, оскільки його молекули передають один одному енергію і рухаються повільніше. Як результат, тиск всередині кульки зменшується, і він починає стискатися.
По-друге, гума, з якої виготовлена кулька, стає менш еластичною при низьких температурах. Це означає, що вона не може протистояти стисненню, таким чином кулька втрачає свою форму і починає здуватися.
По-третє, при низькій температурі вода, якою можуть бути надуті кульки, може замерзнути і перетворитися в лід. Лід може займати більше місця, ніж вода, і тому він може викликати деформацію кульки і його здування.
Таким чином, комбінація стиснення газу всередині кульки, зміни еластичності гуми і замерзання води все разом призводять до того, що кулька на морозі здувається.
Фізика явища і причини
Явище здування кульки на морозі обумовлено декількома фізичними процесами, які відбуваються всередині кульки.
Однією з причин є стиснення газу всередині кульки. При зниженні температури молекули газу уповільнюють свій рух, а отже, на рівні мікроскопічних частинок виникає зниження тиску. Це призводить до того, що повітря зсередини кульки починає тиснути на його стінки, викликаючи усадку кульки і його здування.
Крім того, зовнішнє середовище також вносить свій вклад в здування кульки на морозі. При низьких температурах зовнішнє повітря стискається, що призводить до зниження його обсягу. Отже, тиск зовнішнього повітря стає вище тиску повітря всередині кульки. Це викликає усадку кульки і його здування.
Також варто відзначити, що матеріал, з якого виготовлений кулька, може впливати на його поведінку на морозі. Деякі матеріали більш схильні до усадки і здування під впливом низької температури. Це обумовлено різним ступенем теплопровідності і усадочної здатністю матеріалу.
Отже, здування кульки на морозі є результатом спільної дії декількох фізичних процесів: стиснення газу всередині кульки, зміни тиску зовнішнього повітря і властивостей матеріалу кульки. Це цікаве явище, яке наочно демонструє взаємодію між термодинамікою і механікою.
Атмосферний тиск і температура
Повітря, що оточує нашу планету, чинить на неї постійний тиск, який називається атмосферним тиском. Величина атмосферного тиску залежить від багатьох факторів, включаючи висоту над рівнем моря і склад атмосфери. Зазвичай атмосферний тиск становить близько 101325 Па або 760 мм ртутного стовпа.
Зі зміною температури атмосферного повітря змінюється і його обсяг. При підвищенні температури повітря розширюється, стає менш щільним і його тиск знижується. При зниженні температури повітря стискається, стає більш щільним і його тиск зростає. Цей фізичний закон пояснює, чому кулька здувається на морозі.
Коли кулька надувається, внутрішній тиск повітря в ньому стає більше атмосферного тиску, і він зберігає свою форму. Однак, при зниженні температури зовнішнього повітря, обсяг повітря в кульці скорочується, його щільність збільшується, і повітря починає виходити через молекули латексу або іншого матеріалу, з якого зроблений кульку. Як результат, кулька здувається.
Варто відзначити, що не тільки мороз може викликати здування кульки. Підвищений атмосферний тиск, наприклад, при підйомі в гори, також може призвести до здування кульки, так як тиск всередині кульки залишається постійним, а зовнішній тиск збільшується.
Різниця в тиску всередині і поза кульки
З іншого боку, зовнішні умови характеризуються більш високим тиском. Повітря зовні кульки залишається холодним і має більш високу щільність, тому його тиск залишається вище. Таким чином, виникає різниця в тиску між повітрям всередині і зовні кульки.
Через різницю в тиску зовнішнє повітря починає стискати кульку, намагаючись створити рівновагу. В результаті цього процесу кулька стає менш надувним і м'яким. Якщо різниця в тиску досить велика, кулька може навіть повністю здутися.
Крім того, при низьких температурах матеріал, з якого виготовлений кулька, стає більш жорстким і менш гнучким. Це також може сприяти здуванню кульки на морозі.
Вивчення різниці в тиску всередині і поза кульки на морозі важливо для розуміння фізичних процесів, що відбуваються з газами при зміні температури. Також це явище може застосовуватися в різних практичних областях, наприклад, в аеродинаміці і промисловості.