Последствия вечеринки по случаю дня рождения часто содержат все подсказки, необходимые для разгадки этой научной тайны.
Если вы соберёте резиновые остатки кучи лопнувших воздушных шаров, то часто заметите, что некоторые из них распались на множество мелких кусочков, в то время как другие разделились всего на две или три части.
И, будучи крутым инженером, я также знаю, что лучший способ отпраздновать зажигательную вечеринку - это превратить уборку на следующее утро в научный эксперимент.
Так что, если вы такой же, как и я, то, возможно, вы обнаружили, что одним воскресным утром вы с нетерпением сортируете лопнувшие воздушные шарики на две группы с двумя совершенно разными рисунками: одни рассыпались на десятки крошечных кусочков, а другие - на несколько фрагментов.
Что происходит?
Ну, конечно, все научные эксперименты после вечеринки начинаются с истории и теории.
История резинового шарика началась в 1824 году, когда он был изобретен Майклом Фарадеем. Он проводил эксперименты с различными газами, и его воздушные шары стали идеальными контейнерами для хранения.
До этого воздушные шары делали и из других природных материалов, например, из высушенного мочевого пузыря свиньи или коровы, или из ткани, как в первых воздушных шарах во Франции в конце 1700-х годов.
Полезная вещь в воздушных шарах - их низкая стоимость и малая плотность.
Поэтому, помимо вечеринок, воздушные шары используются в метеорологии (для проведения измерений на различных высотах) и медицине (где они могут остановить кровотечение или заставить открыться заблокированные кровеносные сосуды). Они также используются в военных целях и на транспорте.
Они даже могут заниматься астрономией, поднимая телескоп над большей частью атмосферы, примерно до 100 000 футов или 30 километров. Это более дешевый и быстрый способ поднять в небо новейшие технологии по сравнению с запуском ракет, но недостатком является то, что эти телескопы могут находиться там всего один день или около того.
Мне довелось побывать на запуске телескопа на воздушном шаре. К стати, именно тогда у меня родилась идея о постройке своего вертолета. Воздушный шар наполняют гелием, и по мере того, как он поднимается в атмосферу, он расширяется до размеров футбольного поля. Эти шары тоньше, чем клеенка, поэтому перед взлетом команде пришлось быть очень осторожными, чтобы они не коснулись травы и не прокололись!
И, к счастью, поблизости не было гостей вечеринки, которые бы качались и лопались.
Ладно, это история, а теперь немного теории поппинга для объяснения различных наборов фрагментов воздушного шара.
Мы все видели, что происходит, если проткнуть дырку в надутом воздушном шаре: раздается хлопок, когда воздух выходит, а растянутая резина сморщивается и иногда разрывается. Это происходит потому, что резина быстро переходит от высокого напряжения к внезапному снятию напряжения.
Количество кусочков шарика зависит от того, насколько велико напряжение внутри резиновой стенки.
Это напряжение возникает из-за давления воздуха внутри шара.
Чем выше давление воздуха, тем выше напряжение в резине.
Итак, давайте рассмотрим пару примеров.
Предположим, что воздушный шар надувается умеренно, а затем прокалывается. Напряжение в резине низкое, потому что она была надута лишь частично. В этой ситуации одна трещина начнется в отверстии, а затем побежит по всему шарику. Этой единственной трещины достаточно, чтобы снять напряжение. И воздушный шар обычно распадается всего на два фрагмента - что объясняет те большие куски резины, которые вы нашли после вечеринки!
Но если воздушный шар растянуть очень тонко, с большим количеством газа внутри, а затем проткнуть булавкой, результат будет совсем другим. Начиная от точки прокола, во все стороны расходятся трещины, как спицы велосипедного колеса. По мере распространения наружу эти трещины разделяются на еще большее количество трещин. Используя высокоскоростную съемку, французские учёные, проводившие это исследование, увидели, что трещины в итоге выглядят как пучок ветвей. В целом, трещины, казалось, были разделены примерно одинаковым расстоянием, так что в итоге они немного напоминали человеческую грудную клетку. Результатом большего количества трещин во время падения воздушного шара стало большее количество фрагментов! Исследователи получили максимальное число в 67 фрагментов от полностью надутого воздушного шара.
Почему дополнительные трещины появляются в более сильно надутом шаре?
Чем выше напряжение в резине, тем от большего напряжения приходится избавляться. Но резина не может рваться быстрее вдоль первой первоначальной линии разрыва. Решение состоит в том, чтобы трещина разделилась на большее количество трещин, которые затем разделились на еще большее количество трещин. Благодаря значительному увеличению количества трещин напряжение на резину снимается быстрее, и воздух внутри может выйти наружу.
Так что в следующий раз, когда вы будете пытаться произвести впечатление на кого-то на вечеринке по уборке воздушных шаров, не стесняйтесь рассказать ему эту историю.
