У собрана некоторое количество информации физического характера, связанной с аквариумом. Часть представляет собой ответы на вопросы, задававшиеся в различных конференция и ньюсгруппах. В итоге было решено собрать их в одном разделе в виде вопросов и ответов. Это не FAQ, а собрание более или менее интересной информации.
- Где больше содержится кислорода в воздухе или в воде?
- Где больше кислорода в воздухе, которым мы дышим, или в воздухе, растворенном в воде?
- Почему на стенках аквариума появляются пузырьки, когда туда заливается свежая вода?
- Камни, увлекаемые водой
- Уникальные свойства воды
- Как рыба плавает
- Что видит рыба
- Почему у моего аквариума изогнута задняя стенка - добавлено 05/24
Где больше содержится кислорода в воздухе или в воде?
По объему кислород составляет 21% воздуха. Плотность кислорода равна 1.43 кг/м3. Поэтому в литре воздуха (0.001 м3) содержится по весу кислорода - 0.3 г
В воде при температуре 25C, при насыщении воды кислородом, его содержание равно 8.3 мг/л. Т.е. в воде кислорода содержится в 36 меньше.
По этой причине рыбы имеют более эффективные органы для извлечения кислорода, чем наши легкие. В жабрах вода проходит в направлении противоположном направлению течения крови в мельчайших кровеносных каналах. Когда кровь и вода движутся в одинаковом направлении, то взаимная диффузия не может превышать 50%, когда они движутся в противоположных, то все время существует перепад в концентрации кислорода в воде и крови. Это напоминает схемы теплообменников, которые намного более эффективны для встречного направления движения жидкостей. По аналогичной причине отделитель белка (protein skimmer) с противоположным направлениями движения воды и воздуха более эффективен.
Благодаря этому механизму, в идеальных условиях, рыба может извлекать более 80% кислорода из воды, протекающей через жабры. Человеческие легкие могут извлечь только около 5%. К сожалению, эта особенность рыб делает их уязвимыми к вредным веществам, которые могут растворяться в воде - табачный дым, кухонные запахи и т.д. Следует думать об этом, прежде чем курить в комнате где стоит аквариум.
к началу страницы
Где больше кислорода в воздухе, которым мы дышим, или в воздухе, растворенном в воде?
В воздухе содержится по объему кислорода 21%. Однако, в воде растворяется вдвое больше кислорода, чем азота, который составляет большую часть атмосферы. Поэтому растворенный в воде воздух обогащен кислородом. Там его содержится 34%. Аналогично и для углекислого газа - в атмосфере 0.04%, в растворенном воде воздухе - 2%
к началу страницы
Почему на стенках аквариума появляются пузырьки, когда туда заливается свежая вода?
Причина появления пузырьков на стенках - та жа, что и при нагревании и кипении воды. В теплой воде содержится меньше растворенного воздуха.
При 10C в воде в литре воды содержится 19 см3 воздуха, при 20C - 17 см3 воздуха. Поэтому в 100 литровом аквариуме при нагревании залитой туда водопроводной воды выделится 200 см3 воздуха. Полагая средний диаметр пузырька равным 1 мм3, получим для объема пузырька (V=4/3 π r3) значение 5e-4 см3. Количество пузырьков в таком аквариуме равно 400 тысяч. Неплохо - почти полмиллиона.
Обычно, как известно из теории кипения воды, пузырьки появляются на локальных неоднородностях. В аквариуме - обычно на стекле. Пузырек диаметром 1 мм имеет площадь поперечного сечения (A= π r2) около 0.008 см2. 400 тысяч таких пузырьков займут площадь 3200 см2. Предположим, что аквариум имеет размеры 31x40x80 см, тогда площадь боковых стенок равна 8880 см2. Или чуть меньше трех пузырьков на квадратный сантиметр при их равномерном распределении.
к началу страницы
Камни, увлекаемые водой
Представьте себе текущую реку. Или поток воды из выходного отверстия канистрового фильтра. Медленно текущая река увлекает за собой песчинки. Камни какого веса будет увлекать за собой река, текущая вдвое быстрей? И как отнесутся рыбы к тому, что вы установите более мощный фильтр. Вдвое более тяжелые камни? Втрое?
Нет. Вдвое быстрое течение воды увлекает за собой камни в 64 (шестьдесят четыре) раза более тяжелые. И рыбам такое течение не покажется сахаром. В гидрологии это называется законом Эри, который утверждает, что увеличение скорости течения в n раз сообщает потоку способность увлекать за собой предметы в n6.
Почему это так, можно проиллюстрировать на примере кубика с длиной ребра a.
|
На грань куба действует сила течения воды F, которая стремится повернуть его вокруг ребра, проходящего через точку А и перпендикулярного плоскости рисунка. Этому препятствует сила веса кубика в воде P. Чтобы куб остался в равновесии, необходимо равенство моментов относительно оси поворота. Равенство моментов дает: F a/2 = P a/2 или F=P Закон сохранения импульса дает: Ft=mv |
где: t - продолжительность действия силы, m- масса воды, участвующей в напоре за время t. Масса воды, притекающей к боковой грани равна (плотность воды равна единице, для простоты используем систему СГС):
m=a2vt
Отсюда, полагая время равной секунде, получаем из условия равновесия размер ребра (w - плотность материала куба):
a=v2/(w-1)
Ребро куба, который может противостоять потоку воды, пропорционально квадрату скорости потока. Вес куба пропорционален объему куба, т.е. третьей степени его линейных размеров. Отсюда вес увлекаемого водой куба пропорционален шестой степени скорости потока воды. И если спокойное течение может перекатывать песчинки весом в полграмма, то вдвое быстрая река увлекает за собой камешки весом 32 грамма, а еще вдвое быстрая горная река - камни весом около два килограммов. Помните об этом, когда вы ставите мошной фильтр.
к началу страницы
Уникальные свойства воды
Вода обладает уникальными свойствами среди всех жидкостей..
- Поверхностное натяжение - наибольшее среди всех обычных жидкостей
- Теплопроводность - наибольшая среди обычных жидкостей, исключая ртуть.
- Вязкость - относительно низкая для жидкости и уменьшается при повышении температуры.
- Теплота парообразования (т.е. тепло теряемое или приобретаемое жидкостью при переходе из жидкого состояния в парообразное и обратно) - наиболее высокая среди веществ.
- Теплота плавления (т.е. тепло теряемое или приобретаемое жидкостью при переходе из твердого состояния в жидкое и обратно) - наиболее высокая среди веществ.
- Теплоемкость (т.е. количество тепла необходимое, чтобы нагреть вещество на 1 градус) - наиболее высокая среди известных жидкостей и твердых веществ.
- Растворяющая способность - вода способная растворить больше веществ и в больших количествах, чем остальные обычные жидкости.
Как рыба плавает
|
Если вы еще помните физику восьмого класса, то понять несложно из рисунка. При движении хвоста возникает сила, которая направлена по диагонали. Эта сила разлагается на две составляющих. Рыба компенсирует поперечную составляющую, а продольная двигает рыбу вперед.
|
к началу страницы
Что видит рыба
Какими мы представляемся рыбе, которая смотрит на нас из аквариума? Не вдаваясь в особенности рыбьего зрения - насколько хорошо видит рыба, как она различает цвета и т.д., рассмотрим вопрос, предполагая, что рыба видит так же как и мы, но смотрит на нас из воды. Примерно такую же картину мы бы увидели, если бы засунули голову в аквариум и посмотрели бы на окружающие аквариум предметы. Можно засунуть камеру для подводной съемки, если у вас такая есть.
|
Начнем с самого начала. Как известно, вода имеет больший коэффициент преломления, чем воздух. Поэтому лучи света, которые входят или выходят из воды преломляются согласно закону синусов, который гласит, что угол между лучом и нормалью к поверхности раздела в точке падения луча больше там, где показатель преломления меньше: sin α1 / sin α2 = n2 / n1 В принципе, вся геометрическая оптика, с ее трехэтажными формулами, является следствием этого закона (и закона отражения) |
|
Когда мы смотрим в воду на какой-либо объект, то он кажется нам приподнятым и более близко расположенным. Дно вокруг нас, когда мы стоим в воде, представляется чашеобразным - чем дальше участок дна от наблюдателя, тем выше он кажется приподнятым. На этом основаны все опыты с монетой в стакане, которая становится видимой, когда она залита водой. Снимки слева сделаны из одной точки, во втором случае в тарелку налита вода. Когда вы плаваете под водой, то все предметы кажутся расположенным ближе, иногда кажется, что можно ухватить рукой, но ничего не получается - фактическое расстояние примерно на треть больше кажушегося. Из-за этого возникают проблемы с фокусированием при подводной съемке, когда расстояние приходится определять на глаз. За счет этого же эффекта задняя стенка длинного аквариума представляется изогнутой, когда наблюдатель смотрит в аквариум. Этот же эффект позволяет "заглянуть за угол" - когда мы можем видеть один и тот же объект через переднюю и боковую стенки аквариума, хотя он расположен далеко от боковой стенки и в пустом аквариуме его не увидеть через боковую стенку. |
|
Другая иллюстрация - предмет, частично погруженный в воду, кажется изломанным. |
|
Теперь посмотрим, что будет, когда угол, под которым луч выходит из воду в воздух, начинает увеличиваться. Показатель преломления воздуха равен единице, поэтому, из формулы выше следует, что при достижении угла между лучом в воде и нормалью критического значения, равного sin αwater = 1/nwater, угол преломленного луча в воздухе равен 90°. Угол в воздухе не может принимать значений, больших этого. С физической точки зрения это означает, что луч, составляющий угол с нормалью больше критического, не может покинуть воду и отржается назад. Т.е. поверхность воды для таких лучей работает как зеркало. Это называется явлением полного внутреннего отражения Для воды показатель преломления примерно равен 1.33, поэтому критический угол составляет чуть меньше 50°
|
|
На практике это означает, что смотря через переднюю стенку аквариума, вы не можете видеть то, что находится за боковой, в воздухе. На этом снимке видны растения, рыбы и их отражения, но не то что находится за аквариумом справа. |
|
Всего этого достаточно, чтобы понять, что видит рыба. Если из точки О рассматривать объект 1-4:
|
|
Эти два изображения (не в масштабе), показывают, как будет казаться Wile E. Coyote, зашедший в воду, чтобы ему проще было поймать неуловимого Road Runner-a |
|
Здесь представлен снимок моста над водой так, как он будет представляться рыбе. Снимок был сделан проф. Вудом, который изобрел метод такой подводной фотографии - он использовал фотопластинку и снимал через камеру-обскуру, представляющую собой ящик с маленьким отверстием спереди, которое играет роль фокусирующего объектива. Все это, включая фотопластинку, погружается в воду. Необходимо сказать, что использовать обычный фотоаппарат в водонепроницаемом футляре или смотреть в маске - не имеет смысла, поскольку пленка или наш глаз находятся не в воде, а в воздухе и лучи при входе в маску преломляются снова. Выше было объяснено, почему, когда мы стоим в воде, то наиболее глубоким кажется та часть дна, которая под нами и, по мере удаления, дно "приподнимается". Для наблюдателя, который смотрит из воду в воздух - все с точностью до наоборот. Центральная часть моста здесь кажется наиболее близкой. Вне круга, который ограничивает изображение моста будет видно дно, за счет эффекта полного внутреннего отражения, что понятно из картинки выше.
|
|
Здесь примерно показано, как нас будет видно рыбе из аквариума. Помимо пространственных искажений еще будут наболюдаться цветовые эффекты. Поскольку для различных длин волн показатель преломления различен, то предметы будут казаться окрашенными в цвета радуги по краям. Примерно такую же картину можно наблюдать при рассматривании себя в кривом зеркале. |
к началу страницы
Почему у моего аквариума изогнута задняя стенка?
"Склеил я тут давеча аквариум из стекла 6мм 810x46x45 (длина x ширина x высота) и после заливки воды обнаружил странный сабж: кажется, что задняя стенка как бы искривлена, т.е. наибольшее расстояние в точке взгляда, а слева и справа расстояние до задней стенки кажется заметно короче. Как с этим бороться?"
Причин может быть две. Первая причина - тонкое стекло, которое сильно прогнулось. В этом случае результат был бы заметен очень скоро и вместо того, чтобы писать сообщение, работали бы с тряпками и ведрами.
Вторая причина, по которой заднее стекло кажется изогнутым - это оптические свойства воды. Как было написано выше, в разделе про зрение рыбы, из-за того, что вода преломляет свет, все расстояния в воде кажутся короче
|
Из-за того, что наш мозг "думает" в прямых линиях, все расстояния кажутся короче примерно в полтора раза. Когда вы плавали под водой в маске, то сколько раз вам казалось, что вон ту рыбку легко можно ухватить за хвост, настолько она близка? |
|
Отсюда и понятно, почему задняя аквариума кажется выпуклой. Особенно это заметно у длинных аквариумов. Ширина аквариума всегда кажется наибольшей там, где линия взгляда перпендикулярна стеклу. Встаньте возле края аквариума и проверьте. |
Как с этим бороться? А никак. Помимо очевидных, но малопродуктивных способов борьбы - попытка отмены преломления путем принятия законодательного решения или отучить мозг "думать" прямыми линиями, можно предложить только такой способ - сделать заднее стекло вогнутым, чтобы компенсировать эффект. Но в этом случае придется ограничить положения наблюдателя одной точкой, для которой эффект будет скомпенсирован.
| к началу страницы |