Научно-исследовательская работа «Тепловая трубка рыбки Поньо»

Задача турнира юных физиков: «Заполните стеклянную трубку с закрытым верхним концом водой и установите вертикально, погрузив нижний конец в ёмкость с водой. Нагревайте короткий участок трубки. Исследуйте и объясните периодические движения воды и наблюдаемых пузырьков пара».

Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование поведения пузырьков пара, а также выявление параметров, влияющих на их возникновение.

Задачи: исследовать причины периодического движения воды и наблюдаемых пузырьков пара в пульсирующей тепловой трубке и установить параметры, характеризующее данное движение.

Рассмотрены причины образования и периодических движений пузырьков пара: кипение жидкости в нагреваемом объёме, образование одного пузыря из нескольких маленьких, всплывание и расширение пузыря, соприкосновение с холодными нижними слоями, схлопывание пузырька, возвращение системы в первоначальное состояние. Выявлены некоторые факторы, влияющие на достижение явления: мощность нагревателя, характеристики окружающей среды и первоначальные параметры системы (температура и наличие растворенного воздуха в жидкости), расположение нагревателя.

Создана экспериментальная установка, которая состоит из ёмкости с водой (кювета, в неё погружается открытый конец трубки), пробирок различных длин и диаметров, нагревательного элемента (спираль из фехраля), источника постоянного тока, мультиметров, термометра, барометра, скоростной камеры.

Нами была построена математическая модель на основе динамического решения колебаний: уравнение движения пара и столбика жидкости под ним, уравнение изменения массы пара, изменения массы воды, уравнение теплового баланса для пара и воды, определена частота колебаний пузырька пара.

Нами были исследованы зависимости температуры пара в пузыре от времени, координаты верхнего и нижнего концов пузыря от времени, зависимость периода колебаний от расположения нагревателя относительно закрытого конца, периода колебаний от мощности нагревателя.

В выводе были проанализированы теоретические предположения и фактические измерения, подтверждены теоретические предположения.