Схлопывание стеклянной бутылки под давлением атмосферы: физический эксперимент с водяным паром

В эффектном демонстрационном эксперименте учитель наливает в стеклянную бутылку небольшое количество воды и нагревает ее на пламени горелки до интенсивного парообразования. После этого, сняв бутылку с огня и быстро закупорив ее, он поливает ее холодной водой. Мгновенно раздается громкий хлопок, появляется облако пара, а бутылка разлетается на мелкие осколки, разбрасывая вокруг горячую воду. Большинство зрителей, наблюдая эту картину, без сомнения, воскликнут: «Какой прекрасный взрыв!». Однако, с точки зрения физики, происходящее явление вовсе не является взрывом в прямом смысле этого слова, и его механизм заслуживает детального рассмотрения.

Для корректного проведения опыта воду в бутылке доводят до кипения таким образом, чтобы мощный поток пара в течение некоторого времени с силой выходил из горлышка наружу. Как было показано в предыдущем разделе, быстрое и хаотичное движение молекул пара представляет собой мощный источник энергии. Этот поток пара способен полностью вытеснить из бутылки весь воздух, успешно преодолевая внешнее атмосферное давление, которое составляет приблизительно один килограмм на квадратный сантиметр. Когда воздух удален, бутылку необходимо герметично закрыть резиновой или качественной корковой пробкой.

Крайне важно не закупоривать бутылку, пока она еще находится непосредственно над пламенем горелки. В этом случае интенсивное нагревание приведет к образованию избыточного количества пара, и давление внутри сосуда возрастет настолько, что может произойти настоящий взрыв, при котором осколки стекла разлетятся с огромной кинетической энергией изнутри наружу. Оптимальный момент для закупоривания наступает сразу после снятия бутылки с огня: нагретое стекло продолжает передавать тепло воде, и образование пара еще некоторое время сохраняется. Закупоривать следует быстро, не допуская, чтобы вследствие начавшегося охлаждения и сгущения (конденсации) пара воздух успел проникнуть внутрь. Прочное стекло бутылки способно выдержать умеренное давление оставшегося пара.

После закупоривания бутылку аккуратно опрокидывают, устанавливают на подставку горлышком вниз (рис. 41) и оставляют на некоторое время либо обливают холодной водой для ускорения процесса. Окружающий воздух, температура которого значительно ниже температуры кипящей воды, начинает активно охлаждать стенки сосуда. Это вызывает частичную конденсацию водяного пара внутри бутылки. Согласно молекулярно-кинетической теории, при понижении температуры скорость хаотического движения молекул пара уменьшается. Они начинают ударяться о внутренние стенки сосуда с меньшей силой, что приводит к резкому падению внутреннего давления.

Рис. 41. Схема установки бутылки горлышком вниз после закупоривания для демонстрации эффекта схлопывания под действием атмосферного давления.

В то время как давление внутри бутылки падает, внешнее атмосферное давление остается неизменным — примерно один килограмм на каждый квадратный сантиметр поверхности. В пересчете на всю площадь стеклянной бутылки эта сила составляет многие сотни килограммов. Разница между высоким наружным и низким внутренним давлением стремительно нарастает. В определенный момент стенки сосуда перестают выдерживать эту колоссальную нагрузку, и бутылка с треском разрушается, причем осколки устремляются не наружу, а внутрь, к центру, так как именно туда направлена результирующая сила давления воздуха.

Возникающий при разрушении громкий хлопок объясняется не выходом газов наружу, как при взрыве, а резким схлопыванием. Массы наружного воздуха с огромной силой устремляются в освобождающееся пространство, сталкиваясь в центре бывшей бутылки. Это столкновение воздушных потоков, движущихся со всех сторон, создает мощное сотрясение, которое распространяется в пространстве и воспринимается ухом как звук. Разлет осколков в стороны при таком виде разрушения обусловлен тем, что некоторые фрагменты стекла, летящие с большой скоростью к центру, проходят его и, не встретив препятствия в виде аналогичного осколка с противоположной стороны, продолжают движение по инерции в том же направлении.

Характер разрушения напрямую зависит от формы и прочности стеклянного сосуда. Тонкостенная бутылка с широким плоским дном лопнет уже при незначительном падении внутреннего давления. Напротив, бутылка из толстого стекла с выпуклым дном способна выдержать гораздо большую разницу давлений, и для ее разрушения требуется более сильное охлаждение и, соответственно, более глубокая конденсация пара. Некоторые особо прочные экземпляры могут выдерживать полное внешнее давление даже при практически полном вакууме внутри, и тогда для инициации процесса требуется легкий удар молотком, который нарушит целостность стекла, после чего атмосферное давление моментально завершит разрушение. Тот факт, что для разрушения бутылки необходимо сгущение пара с помощью холода, является неопровержимым доказательством того, что данное явление представляет собой не взрыв, а имплозию — схлопывание под действием внешнего давления.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.