i
i
“1127-Strnad-0” — 2010/7/14 — 14:24 — page 1 — #1 i
i
i
i
i
i
List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje
ISSN 0351-6652
Letnik 20 (1992/1993)
Številka 2
Strani 92–95
Janez Strnad:
ŠUMENJE VODE V KOTLIČKU
Ključne besede: fizika.
Elektronska verzija: http://www.presek.si/20/1127-Strnad-voda.pdf
c© 1992 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije
c© 2010 DMFA – založništvo
Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali
posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo-
ljeno.
I '-,-,'/"r L""
ŠUMENJE VODE V KOTLIČKU
Slika 1. Zvočni spekter 1 litra navadne
vode v kotličku . Na vodoravno os je nane-
sena frekvenca /.1, na navpično pa spektraI-
na gostota dj..{d/.l' ki jo m: rimo v .en ota ~
W /m 2(s-1 ) . V spektnh na slikah ni
znano, kolikšen del tega meri uporabljena
enota. Spodnja krivulja v nekatrih spek-
trih kaže ozadje, to je zvok, ki ga je spreje-
mal mikrofon iz okolice, ko vode niso seg-
revali .y
1000 2000 3000 4000 50005.-'
100
200
o
200
Kotliček , v katerem grejerno vodo za čaj ali črno kavo, oddaja značilni šum,
ki pos ta ja vse glasnejši, ko se voda greje , in se st iša, ko voda zavre .! Med
prvimi fiziki, ki so se zan imali za brbranje, je bil Osborne Reynolds . Leta
1901 ga je primerjal s šumenjem vode v odprti cevi z ožino . William Bragg je
v nizu predavanj za Kraljevo družbo ugotovi l, da povzročajo šumenje vode ,
preden zavre , mehurčki pare , ki se sesedejo vase. Pri tem stena mehurčka
udari ob steno kot "jeklo ob je klo", kot da bi "uda rjala brezštevilna kladivca ."
Lord Rayleigh je poznal brbranje, a ga v zna ni knjigi o akustiki ni nit i omenil.
Tedanj i merilniki niso dopu š ča li , da bi podrobneje raziskali brbranje in šumenje
vode . Novejš i mer ilniki to dopuščajo, a zdi se , da se je zanimanje omejilo
predvsem na zvok v toku vrele vode z mehurčki v reaktorjih . Šumenje
vode, preden zavre , se ni lotil nihče . P red nedavnim pa sta nadomestila
zamujeno S.Aljishi in J.Tatarkiewicz s Planckovega inštituta za fiziko t rdnin
v Stuttgartu . V reviji Ameri can Journal of Physics 59 (1991) 628 st a objavila
članek z naslovom Zakaj nastane zvok pri segrevanju vode v kotličku.
Na kuhalniku sta segrevala vo-
do v litrskih ali dvolitrskih kot li čkih
in valjastih steklen ih in kovinskih
posodah . V posodo sta postavila
brezži čni mikrofon , ki je zvok spre-
menil v radijske valove . Valove je
sprejema l sprejemnik v drugem
1 Na Inštitutu za slovenski jezik so ljubeznivo pojasn ili , da voda med segrevanjem
šumi, ko vre, pa brbra ali brbota . Kerimenujemo vfiziki šum vsakzvok z zveznim spektrom,
bi bilo pripravno imeti posebno ime za zvok, ki ga oddaja voda med segrevanjem, preden
zavre . Takega imena ni. Mrm ranje uporabljajo le pisatelji. '
93
50
100
100
o
:Lk
6000
prostoru , po frekvenci razvrstil spektra ini ana lizator , pisalni instrument pa je
spekter narisa l. Mikrofon je zaznaval zvok s frekvenc o od najnižjih frekvenc
do 5000 s- l . Uporabila sta destili rano vodo ali vodovodno vodo , ki sta jo
pred poskusom prekuhala in s tem izgnala iz nje večino razt opljenega zraka .
Natančno sta merila temperaturo tik pod vodno gladino, nista pa se zanimala
za podrobni temperaturni profil.
Preden nadaljujemo , je treba povedati nekaj besed o spektru . (Daljši
prispevek O spektrih najde bralec v Preseku 13 (1986) 322. ) V šumu ,
ki ga oddaja voda ob segrevanju in vretju, so zastopane sestavine zvoka z
določeno frekvenco - toni - s širokega pasu frekvenc - od najnižjih do 5000
s- l . Podatek o zastopanosti tonov v zvoku da spekter, ki je v tem primeru
zvezen . Sprejemnik zazna del jakosti zvoka d], ki odpade na ozek frekvenčni
pas med v - ~dv in v+ ~dv. Spektraini analiza tor določi spektra/no gostoto
dj/ dv v odvisnosti od frekvence v s sredine ozkega pasu . Pisalni inst rument
nariše dj / dv v odvisnosti od fre-
kvence v. Krivulja nazorno kaže ,
kako je jakost zvoka porazdeljena
po frekvenc i. Ploščina pod krivu-
ljo podaja jakost zvoka j na vsem
preiskanem širokem frekven čnem
pasu.
S.Aljishi in J.Tatarkiewicz sta
posnela pri razl ičnih temperaturah
zvočne spektre 1 litra navadne vode
v kotli čku (slika 1) ter 1 litra nava-
dne vode (slika 2) in 1 lit ra destili-
rane vode v dvolitrsk i valjasti ste kle-
ni posodi (slika 3) . V prvem primeru
voda ni odda jala skoraj nobenega
zvoka pri tempera turi pod 70 "C,
Slika 2 . Zvočni sp ekter 1 lit ra navadne
vode v dvelitrski valjasti steklen i posodi.
Na sp odnj i sliki je sp ek ter lastnega niha n-
ja posode. ko so jo udarili s p lastičn im
rav nilom.
94
Slika 3. Zvočni spekter 1 litra destili-
rane vode v dvelitr sk i valjasti stekleni
posodi.
BJ'C
9J"e
Pri tej temperatu ri se je pojavil zvok , v katerem so bile močneje zastopani toni
z visokimi frekvencami . Pri temperaturi 90 o( je postal zvok močnej ši in v
njem so se pojavili tudi toni z nižjimi frekvencami . Ob vreli šču je postal zvok
nenadoma mnogo šibkejši in v njem so bile domala enakopravno zastopani
toni z nižjimi in višjimi frekvencami . Prav po tem prehodu pri kuhanj u č aj a
ali kave sklepamo , da je voda zavrela .
Nekaj podobnega so opazili v drugem primeru, le da so se v spektru
pokazali izrazitejši vrhovi. Ti vrhovi so ustrezali lastnemu nihanju zraka nad
vodo ali posode ali vode v posodi . Vse troje je imelo v tem primeru prepostejšo
obliko kot pri kotli čku , Vrhova pri frekvencah 1685 s-l in 1910 s-l nista
bila odvisna od višine vode pri dodatnih poskus ih in sta ustrezala lastnemu
nihanju posode . Izrazit vrh pri
prvi frekvenci se je pojavil , ko
so s plasti čnim merilom udar ili
posodo (slika 2) . Vrh, ki ga
je bilo mogoce opaziti pri do-
datnih poskusih med frekvenca-
ma 370 s-l pri 0,2 litra vode
in 860 s-l pri 1,6 litra vode , je
ustrezal lastnemu nihanju stolp-
ca zraka nad vodo . Lastnemu
nihanju vode je ustrezala viso-
ka frekvenca 3850 s-l , ki se je
zaradi rnehurčkov v vodi znižala
na 2000 s-l 2500 s-l . Pri tem-
peraturah nad 90 o ( sta se po-
javila vrhova pri frekvencah 130
s-l in 190 s-l , ki ju je bilo
mogoce dobro lo čiti tudi z uše-
som . Nista bila odvisna ne od
višine vode v posodi ne od sno-
95
vi, iz katere je bila posoda , ne od njene oblike. Njihova jakost je bila tem
večja , č i m več vode je bilo v posodi . Najbrž sta to lastni frekvenci, ki se
pojavita pri izginjanju mehurčkov tik ob glad ini vode .
V tretjem primeru je dest ilirana voda oddajala mnogo šibkejši zvok od
navadne . Izrazitejši zvok se je pojavil šele pri temperaturi 98 0e. Nad to
temperatu ro je bilo mogoče opaziti vrhove pri enakih frekvencah kot prej.
Nastanek zvoka so pojasnili s pojavi v vodi , ki se segreva. Pri nižjih tem-
peraturah imajo pri tem od ločilno vlogo konvekcijski tokov i, ki ne rodijo zvoka .
Pri višjih temperaturah pa je naj pomembnejši pojav nastajanje mehurčkov.
Nad temperaturo okoli 40 °e nastanejo v neprekuhani vodi na steni posode
mehurčki zraka in potujejo navzgor , ne da bi pri tem nastal zvok. Pri tem-
peraturi okoli 70 °e za čnejo nastajati na dnu posode mehurčki pare . Najprej
nastajajo in sunkovito izginevajo , in to do tridesetkrat in večkrat v sekundi .
Sunke prena ša voda do sten , ki zanihajo z lastno frekvenco . Nad temperaturo
okoli 90 °ese nastali mehurčki dvigajo in zginejo šele blizu gladine. Pri vretju
pa nastajajo mehurčki v vsej prostornini vode. Jakost zvoka se zmanjša tedaj
tudi zato, ker postane gladina neravna in zato voda nima več izrazitih lastnih
frekven c. V destiliran i vodi nastanejo mehurčki šele tik pod vreliščern. To
pri ča , da se v navadn i vodi izločajo na steni posode raztopljene soli. Delci
teh soli sestavljajo dodatna jedra , okoli katerih se razvijejo mehurčki . Več
mehurčkov pomeni močnejš i zvok . Podoben u činek kot z destilirano vodo je
mogoče doseči v navadni vodi z močnim mešanjem, ki tudi zavira nastajanje
rnehurčkov .
Šumenje vode med seg revanjem lahko tedaj zmanjšamo, če uporabimo
posodo brez lastnih frekvenc na opazovanem frekvenčnem pasu , če notranjo
steno posode prevlečerno z zelo gladko plastjo , če uporabimo destilirano
vodo ali če vodo mešamo. Mehurčki na steni namreč nastajajo ob drobnih
izboklinah in jih je manj , če izboklin ni. Takšne posode pa zunaj laboratorija
najbrž n ihče ne bi navdušeno sprejel. Marsikdo bi pogrešal prijetne občutke ,
ki jih zbuja šumenje vode pri kuhanju č aj a ali kave.
Janez Strnad