Всплывание пузырька в герметическом сосуде

[reterty]

Представьте себе сосуд с жидкостью, открытый сверху в атмосферу. Если предположить, что на дне образовался пузырек, то очевидно, что давление на дне не зависит от всплывающего пузыря. Однако рассмотрим теперь случай, когда бак заполнен жидкостью доверху и герметичен. Если общий объем фиксирован, а вода несжимаема, то объем пузыря должен оставаться фиксированным во время подъема. Предполагая изотермическим процесс всплывания, мы можем применить закон Бойля и заключить, что давление пузырька все время остается постоянным. Таким образом, пузырек «переносит» то давление, которое было у него внизу, наверх. В результате, как ни парадоксально , давление во всех точках сосуда должно увеличиться на величину гидростатического давления $\rho g h$; где $\rho g h$ - высота контейнера с жидкостью. Учет сжимаемости жидкости несколько занизит величину скачка давления в сосуде, но все равно она может оказаться существенной. Эта простая теория подтверждена достаточно сложным технически количественным экспериментом.

Я же хочу поставить простой качественный эксперимент, который легко произвести в школьной аудитории. И вот здесь у меня загвоздка, как такую демонстрацию эффекта реализовать, пользуясь лишь подручными средствами? Единственное, что пришло мне на ум, это взять высокий стеклянный сосуд с горизонтальным ответвлением в верхней части и насадить на этот выход тонкую резиновую мембрану. Далее, заполняем полностью сосуд с помощью шприца, вставленного в дно сосуда а затем точно также организовывем воздушный пузырь внизу с помощью пустого шприца. После всплывания пузырька, мембрана должна явственно выпучиться наружу вбок. может кто-то предложет более элегантный и простой эксперимент? Заранее благодарю за советы.

[DimaM]

reterty в сообщении #1581449 писал(а):

После всплывания пузырька, мембрана должна явственно выпучиться наружу вбок.

Вы, кажется, путаете скачок давления со скачком объема. Скачок давления действительно может быть порядка $\rho gh$ для достаточно большого пузыря. А вот увеличение объема будет не больше, чем $V_0\rho gh/P_0$, где $V_0$ - начальный объем пузыря, $P_0$ - атмосферное давление. При реалистичной высоте будет несколько процентов от объема пузыря - нужно сильно большой пузырь, чтоб это заметить.

[wrest]

reterty в сообщении #1581449 писал(а):

И вот здесь у меня загвоздка, как такую демонстрацию эффекта реализовать, пользуясь лишь подручными средствами

Вам нужен манометр, который не меняет объем. В качестве кандидатуры, могу предложить телефон часы типа casio protrek или подобные, с манометром (барометрическим альтиметром). Сосуд, соответственно, должен быть герметичным и жестким (с неизменяемым объемом).
Чувствительность у таких альтиметров (в часах) 1...5 метров по воздуху, соответственно 1..5мм по воде. Сосуда высотой даже 100мм должно хватить для демонстрации. Надо только придумать как посадить пузырь на дно и как потом заставить его всплыть.
Часы с манометром (барометрическим альтиметром): https://www.ozon.ru/product/naruchnye-c ... 172594920/

[GraNiNi]

reterty, при реализации опыта нужно учесть то, что в теории игнорировалось, а именно - растворимость воздуха (пузырька) в воде, которая может полностью нивелировать и без того небольшое изменение объема.

[reterty]

я процитирую авторов той Статьи, где проводился этот сложный технический эксперимент:

"...The first stage is a bubble-free filling of the tube. The filling plug is lowered to provide a gap. Degassed water is poured through the gap into the tube up to the top level. Then, the plug is tightened. Inevitably, many small wall bound bubbles appear (possible dead volumes) which will be absorbed by the degassed liquid after some hours. In the second stage, the water needs to be saturated again because the investigated bubble must not shrink by diffusion. It is very effective to enter a rather large single bubble from the top. This bubble is left in the liquid at least for 48 h under occasional rotating of the tube to expose all of the liquid to the air. This procedure has proven to avoid dead volumes. The insertion of a single test bubble of known volume at the top works as follows. After saturation, the
liquid level is raised above the plug and the plug is closed. The water excess on top of the plug is sucked away. Then, the plug is opened again and a defined volume is extracted by a syringe with a fine needle. The plug is closed again and the tube with bubble is ready."
Еще раз оговорюсь, мне нужна прецизионность а лишь демонстрация самого эффекта скачка давления

[GraNiNi]

reterty в сообщении #1581545 писал(а):

Еще раз оговорюсь, мне нужна прецизионность а лишь демонстрация самого эффекта скачка давления

Это тонкий эксперимент и по-простому (по-школьному) не получится.

[wrest]

GraNiNi в сообщении #1581583 писал(а):

Это тонкий эксперимент и по-простому (по-школьному) не получится.

А в чем препятсвия? Мне так видится что неочевидным явлется момент удержания и отпускания пузыря со дна. Но можно же внизу сосуда сделать ответвление, аккуратно налить воду под горло и заткнуть крышкой, может даже немного придавить. Можно и объем вохдуха определить. А потом, просто наклонив сосуд, заставить пузырь выйти... Изотермичность обеспечит большая теплоемкость воды.
Осталось только поместить манометр внутрь сосуда. Можно даже два: вверх и вниз.

Или вы имеете в виду, что вмешаются эффеты, связанные с растворением воздуха в воде?

[reterty]

wrest в сообщении #1581586 писал(а):

GraNiNi в сообщении #1581583 писал(а):

Это тонкий эксперимент и по-простому (по-школьному) не получится.

А в чем препятсвия? Мне так видится что неочевидным явлется момент удержания и отпускания пузыря со дна. Но можно же внизу сосуда сделать ответвление, аккуратно налить воду под горло и заткнуть крышкой, может даже немного придавить. Можно и объем вохдуха определить. А потом, просто наклонив сосуд, заставить пузырь выйти... Изотермичность обеспечит большая теплоемкость воды.
Осталось только поместить манометр внутрь сосуда. Можно даже два: вверх и вниз.

Или вы имеете в виду, что вмешаются эффеты, связанные с растворением воздуха в воде?

У васа в процессе всплывания пузыря ( после наклона сосуда) воде будет куда подниматься после всплытия пузыря. то есть воде есть куда расширяться.общий обьем у вас не фиксирован, так как в ответвлении есть сверху прослойка воздуха?7

[GraNiNi]

wrest в сообщении #1581586 писал(а):

Или вы имеете в виду, что вмешаются эффеты, связанные с растворением воздуха в воде?

Это - само собой.
Не зря же в процитированной статье авторы двое суток насыщали воду воздухом, приводя систему в равновесное состояние.
Но главное - чем измерить скачек давления?

Вы предлагаете поместить манометр внутрь. Какой манометр, какого размера и какой точности и как все это герметично закрыть?
Если речь идет о манометре с трубкой бурдона, то обычно она заполнена воздухом и поэтому оттуда нужно удалить воздух и заполнить ее водой, причем так, что бы в ней не осталось ни малейшего пузырька воздуха, что проконтролировать практически невозможно. Кроме того в самой конструкции манометра полно полостей, где могут остаться пузырьки воздуха.

[wrest]

GraNiNi в сообщении #1581598 писал(а):

Но главное - чем измерить скачек давления?

Вы предлагаете поместить манометр внутрь. Какой манометр, какого размера и какой точности и как все это герметично закрыть?

Так я ж писал:

wrest в сообщении #1581533 писал(а):

Часы с манометром (барометрическим альтиметром): https://www.ozon.ru/product/naruchnye-c ... 172594920/

Точность там не нужна. А вот чувствительность -- по очень грубой оценке, не хуже 5 метров воздушного столба на уровне моря, в моих, типа таких, часах, которым уже лет 10 - так. Там я обсчитался выше, по водному столбу. По ртутному, 5 воздушных метров это примерно 0,5 мм рт.ст., ну это будет, значит, порядка 7 сантиметров водного столба. На самом деле будет даже лучше, твердотельные барометры сейчас ого-го. 30 сантиметров водного столба -- точно хватит, чтобы увидеть эффект, мне так кажется.
В телефонах (например, в моём) чувствительность барометра примерно 25 сантиметров воздушного столба. Но телефон, конечно жалко. Плюс, телефон может быть не жесткий (прогнётся внутрь например). А часы жесткие, они свой объем не поменяют. Показывать могут прямо в [гекто]паскалях, ну или в метрах воздушного столба.
Тут потенциальную сложность я вижу в том, что неясно как будут работать часы. Мои, например, если переключить на барометр, постепенно снижают частоту опроса барометра чтобы батарейку зря не тратить (батарейка-то на три-пять лет рассчитана), и через несколько часов начинают опрашивать барометр не раз в секунду, а раз в минуту (или около того, но может и реже). Но это от прошивки часов зависит, надо инструкцию читать.
Герметично закрыть как-то надо, это да, например под водой, притёртой крышкой или как-то так. Тут больших сложностей не вижу.

-- 14.02.2023, 17:52 --

reterty в сообщении #1581592 писал(а):

У васа в процессе всплывания пузыря ( после наклона сосуда) воде будет куда подниматься после всплытия пузыря. то есть воде есть куда расширяться.общий обьем у вас не фиксирован, так как в ответвлении есть сверху прослойка воздуха?7

Воду же мы считаем несжимаемой? И соответственно, нерасширяемой? Объем сосуда фиксирован, масса воды тоже. Выполняется то, что вами написано:

reterty в сообщении #1581449 писал(а):

когда бак заполнен жидкостью доверху и герметичен. Если общий объем фиксирован, а вода несжимаема, то объем пузыря должен оставаться фиксированным во время подъема.

[GraNiNi]

wrest в сообщении #1581609 писал(а):

Ну герметично закрыть как-то надо, это да, например под водой, притёртой крышкой или как-то так. Тут больших сложностей не вижу.

Вот в этом и сложность.
Нужно полностью, до малейшего пузырька, удалить воздух из корпуса часов, из всех его закоулков, включая электронную плату, и заместить воздух водой, что выведет из строя всю электронику.
Ну и по поводу притертой крышки. Как Вы это себе представляете для длинной трубки - изготавливать по спецзаказу?
Существуют эксикаторы с притертой крышкой, но это совсем не то.

Вот я и говорю - это на словах все просто - "как-то так", а на деле, для школьного эксперимента - все сложно.

[wrest]

GraNiNi в сообщении #1581614 писал(а):

Нужно полностью, до малейшего пузырька, удалить воздух из корпуса часов, из всех его закоулков, включая электронную плату,

Это ещё зачем?

[GraNiNi]

wrest в сообщении #1581615 писал(а):

Это ещё зачем?

Не ожидал от Вас такого вопроса.

[wrest]

GraNiNi в сообщении #1581614 писал(а):

Существуют эксикаторы с притертой крышкой, но это совсем не то.

Можно взять что-то типа банки пятилитровой и закаточной машинкой закатать, которой соленья закатывают, там с герметичностью всё тип-топ будет.
Не, ну правда, огерметичить несложно, хотя смекалка и понадобится.

-- 14.02.2023, 18:19 --

GraNiNi в сообщении #1581618 писал(а):

Не ожидал от Вас такого вопроса.

Так раскройте. Зачем наливать воду внутрь часов? Часы -- герметичные. Я ж написал, что сами часы жесткие и свой объём не меняют. Там твердотельный барометр (манометр), но он размещен снаружи от внутреннего объема часов, естественно...

-- 14.02.2023, 18:26 --

GraNiNi в сообщении #1581614 писал(а):

Как Вы это себе представляете для длинной трубки - изготавливать по спецзаказу?

Зачем длинная трубка? Надо найти что-то хозяйственно-бытовое, прочное и что можно надёжно закупорить. Например, бутыль в магазине для самогонщиков.

[EUgeneUS]

wrest в сообщении #1581619 писал(а):

Можно взять что-то типа банки пятилитровой и закаточной машинкой закатать,

Не подойдёт из-за гибкой жестяной крышки.

wrest в сообщении #1581619 писал(а):

Я ж написал, что сами часы жесткие и свой объём не меняют. Там твердотельный барометр, но он размещен снаружи от внутреннего объема часов, естественно...

А не факт, что объём не меняют, потому что.

ИМХО, нужен твердотельный датчик давления, достаточно точный. И выводить его наружу через стекло. Как выводы электронных ламп.