Номер 37.33, страница 140 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 37. Звуковые волны. Глава 5. Механические колебания и волны - номер 37.33, страница 140.

37.33 [д. 135°] Проведите эксперимент: наполните на $\frac{3}{4}$ объёма один из двух одинаковых хрустальных бокалов (или стаканов из тонкого стекла) простой водой, а другой — газированной водой. Проанализируйте звучание сосудов и состояние жидкостей при возбуждении в них колебаний. Попытайтесь объяснить, почему в высокие бокалы принято наливать небольшое количество шампанского.

Решение

Проанализируйте звучание сосудов и состояние жидкостей при возбуждении в них колебаний

При проведении описанного эксперимента можно наблюдать существенные различия в поведении двух систем.

Наблюдения:

1. Бокал с простой водой: Если возбудить колебания стенок бокала (например, легким щелчком или проведя мокрым пальцем по ободку), он издаст чистый, высокий и продолжительный звенящий звук. На поверхности воды можно заметить рябь или даже стоячие волны, но сама вода остается прозрачной.

2. Бокал с газированной водой: При аналогичном воздействии звук будет глухим, коротким и быстро затухающим. Вместо мелодичного звона мы услышим лишь тихий, невыразительный стук. Одновременно с этим в жидкости начнется активное выделение пузырьков газа (бурление), особенно у стенок бокала.

Объяснение:

Звук, издаваемый бокалом, возникает из-за резонансных колебаний его стенок. В системе «бокал + вода» вода колеблется вместе со стенками, являясь частью колебательной системы.

В случае с простой водой система имеет низкий коэффициент затухания (демпфирования). Энергия, сообщенная бокалу, медленно рассеивается в основном за счет внутреннего трения в стекле и вязкости воды. Поэтому колебания продолжаются долго, и мы слышим протяжный звук.

В бокале с газированной водой ситуация кардинально иная. Газированная вода представляет собой двухфазную среду: жидкость (вода) и газ (растворенный, а также находящийся в виде микроскопических пузырьков углекислый газ). Эта среда обладает значительно большей сжимаемостью и способностью к рассеиванию энергии по сравнению с обычной водой. Когда стенки бокала начинают колебаться, энергия колебаний очень быстро и эффективно поглощается и рассеивается по нескольким каналам:

• Поглощение энергии пузырьками: Звуковая волна в жидкости заставляет пузырьки газа сжиматься и расширяться. На этот процесс тратится значительная часть энергии колебаний.
• Образование новых пузырьков: Колебания и связанные с ними локальные падения давления провоцируют интенсивное выделение растворенного газа из воды. Этот фазовый переход также требует энергии, которая забирается у колеблющейся системы.
• Рассеяние на неоднородностях: Множество пузырьков делают среду акустически неоднородной. На них происходит рассеяние и поглощение звуковых волн, что мешает формированию устойчивой резонансной картины.

Из-за этих механизмов быстрого рассеивания энергии колебания в бокале с газированной водой затухают почти мгновенно. Это явление называется демпфированием колебаний.

Ответ: Бокал с простой водой издает долгий и чистый звенящий звук, так как колебания в нем затухают слабо. Бокал с газированной водой издает короткий и глухой звук, потому что пузырьки газа эффективно поглощают и рассеивают энергию колебаний (сильно демпфируют их), превращая ее в энергию образования и движения пузырьков.

Попытайтесь объяснить, почему в высокие бокалы принято наливать небольшое количество шампанского

Шампанское, как и газированная вода из эксперимента, является напитком, насыщенным углекислым газом. Эксперимент наглядно демонстрирует, как легко механические колебания (форма агитации) провоцируют бурное выделение газа. Это наблюдение является ключом к объяснению традиций подачи шампанского.

Правила подачи шампанского направлены на максимальное сохранение его главных качеств: низкой температуры, тонкого аромата и, что особенно важно, игры пузырьков («перляжа»).

1. Сохранение углекислоты: Высокие и узкие бокалы (флюты) имеют малую площадь поверхности жидкости, контактирующей с воздухом. Это замедляет естественный выход углекислого газа, и напиток дольше остается «играющим».

2. Минимизация агитации при наливании: Как показал эксперимент, любая агитация приводит к потере газа. Если наливать в высокий бокал большое количество шампанского за один раз, это вызовет сильное вспенивание и бурную потерю углекислоты еще до того, как бокал попадет в руки. Наливая небольшое количество, часто по стенке бокала и в два приема, минимизируют начальное вспенивание и сохраняют газ в напитке.

3. Контроль температуры: Шампанское подают охлажденным. Небольшая порция в бокале выпивается быстрее, не успевая нагреться. Остаток шампанского в бутылке в это время продолжает охлаждаться в ведерке со льдом.

4. Концентрация аромата: Оставшееся над жидкостью пространство в бокале позволяет ароматическим соединениям накопиться, что обогащает вкусовые ощущения при дегустации.

Таким образом, практика наливать небольшое количество шампанского напрямую связана с физическим свойством газированных напитков, продемонстрированным в эксперименте: их чувствительностью к механическим воздействиям, которые приводят к быстрой и нежелательной потере растворенного газа.

Ответ: В высокие бокалы наливают небольшое количество шампанского, чтобы минимизировать его агитацию при наливании и последующем употреблении. Как показывает эксперимент, механические колебания вызывают бурное выделение газа. Небольшая порция позволяет сохранить углекислоту («игру» пузырьков), поддерживать низкую температуру напитка и лучше раскрыть его аромат.