Аквариумная физика
© Michael Dubinovsky a.k.a Миклуха, 1999-2000
Данный документ может распространятся свободно полностью без изменений и удалений, как единое целое, включая данный параграф. Запрещено использование документа в коммерческих целях без разрешения автора. Уважайте мой труд. Информация в данном документе представлена "as is" и автор не несет ответственности, прямой или косвенной, за ее использование
All products, names, and logos mentioned herein may be the trademarks of theirs respective owners
У меня накопилось некоторое количество информации физического характера, связанной с аквариумом. Часть представляет собой ответы на вопросы, задававшиеся в различных конференция и ньюс-группах. В итоге я решил собрать их в одном разделе в виде вопросов и ответов. Это не FAQ, а собрание более или менее интересной (для меня, по крайней мере) информации. Если у вас есть что добавить, то пошлите мне e-mail
Где больше содержится кислорода в воздухе или в воде?
По обьему 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 гораздно 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 гораздно 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 25%. К сожалению, эта особенность рыб делает их уязвимыми к вредным веществам, которые могут растворятся 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 килорода 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 - тажа, 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 диаметер пузырька равным 1 мм3, получим для объема пузырька (V=4/3 ? 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= ? 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 отнесуться 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 сообшает 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, которвя стремитсся 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 моемнтов 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 пол-грамма, 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 мошный фильтр.
к началу страницы
Michael Dubinovsky a.k.a Mikluha
Copyright © Optron-AM. All rights reserved.
|
