Эффект горячего шоколада

Явление волновой механики

Проявление эффекта горячего шоколада

Эффект горячего шоколада — это явление волновой механики , при котором высота звука, слышимая при постукивании по чашке с горячей жидкостью, повышается после добавления растворимого порошка. ^{[1] [2]} Считается, что эффект возникает из-за того, что при первоначальном перемешивании вовлеченные пузырьки газа снижают скорость звука в жидкости, понижая частоту. По мере того, как пузырьки рассеиваются, звук распространяется в жидкости быстрее, а частота увеличивается.

Имя

Эффект изначально наблюдался при приготовлении растворимого кофе и разливании пива, но также происходит и в других ситуациях, например, при добавлении соли в перенасыщенную горячую воду или холодное пиво. Недавние исследования обнаружили гораздо больше веществ, которые создают эффект, даже в изначально неперенасыщенных жидкостях. ^[3]

Он был назван и популяризирован Фрэнком Кроуфордом из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, начиная с 1980 года после того, как на сам эффект ему указала Нэнси Штайнер, хотя об этом эффекте сообщалось несколько раз в предыдущие десятилетия. ^[4]

Описание

Эффект можно наблюдать, наливая горячее молоко или горячую воду в кружку, размешивая шоколадный порошок и постукивая по дну кружки ложкой. Высота тона при постукивании будет постепенно увеличиваться независимо от скорости или силы постукивания. Последующее перемешивание того же раствора (без добавления большего количества шоколадного порошка) постепенно снова уменьшит высоту тона, за которой последует еще одно увеличение. Этот процесс можно повторять несколько раз, пока не будет достигнуто равновесие. ^[5] Музыкальные эффекты могут быть достигнуты путем изменения силы и времени перемешивания вместе со временем постукивания. ^[6]

Объяснение

Стакан воды с пузырьками воздуха в верхней части. По мере того, как вода становится прозрачной, высота звука от постукивания по стакану увеличивается

Феномен объясняется влиянием плотности пузырьков на скорость звука в жидкости. Слышимая нота — это частота стоячей волны , где четверть длины волны — это расстояние между основанием кружки и поверхностью жидкости. Эта частота f равна скорости волны v , деленной на четырехкратную высоту столба воды h:

${\displaystyle f={\frac {1}{4}}{\frac {v}{h}}}$

Скорость звука v в однородной жидкости или газе зависит от плотности массы жидкости ( ) и адиабатического модуля упругости ( ) согласно формуле Ньютона-Лапласа: ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle K}$

${\displaystyle v={\sqrt {\frac {K}{\rho }}}}$

Вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, а воздух примерно в 15 000 раз более сжимаем, чем вода. (Сжимаемость — это величина, обратная объемному модулю упругости .) Когда вода заполнена пузырьками воздуха, плотность жидкости все еще очень близка к плотности воды, но сжимаемость будет равна сжимаемости воздуха. Это значительно снижает скорость звука в жидкости. Длина волны постоянна для данного объема жидкости; поэтому частота (высота тона) звука будет уменьшаться, пока присутствуют пузырьки газа. ^[1] ${\displaystyle K}$

Различные скорости образования пузырьков будут генерировать различные акустические профили, что позволит дифференцировать добавленные растворенные вещества. ^{[3] [7] [8]}

Смотрите также

• Широкополосная акустическая резонансная спектроскопия растворения — спектроскопический метод, использующий этот эффект в качестве своего основного принципа.

Ссылки

1. Фрэнк С. Кроуфорд, май 1982, «Эффект горячего шоколада», American Journal of Physics , том 50, выпуск 5, стр. 398-404, doi:10.1119/1.13080 (только аннотация)
2. Фрэнк С. Кроуфорд, ноябрь 1990 г., «Горячая вода, свежее пиво и соль», American Journal of Physics , том 58, выпуск 11, стр. 1033-1036, doi:10.1119/1.16268 (только аннотация)
3. D. Fitzpatrick et al. , март 2012 г., «Принципы и применение широкополосной акустической резонансной спектроскопии растворения (BARDS): надежный подход к анализу соединений», Analytical Chemistry , том 84, выпуск 5, стр. 2202-2210, doi:10.1021/ac202509s
4. Кроуфорд, Фрэнк С. (декабрь 1980 г.), Эффект горячего шоколада (препринт), Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли
5. Эффект горячего шоколада. Архивировано из оригинала 2021-12-15.
6. Эффект горячего шоколада (и создание музыки с его помощью) на YouTube
7. Д. Фицпатрик и др. , 2012, «Анализ однородности смеси фармацевтических продуктов с помощью широкополосной акустической резонансной спектроскопии растворения (BARDS)», Международный журнал фармацевтики , том 438, выпуск 1-2, стр. 134-139, doi:10.1016/j.ijpharm.2012.07.073
8. Д. Фицпатрик и др. , 2013, «Взаимосвязь между растворением, пересыщением газом и выделением газа из растворов, определенная с помощью широкополосной акустической резонансной спектроскопии растворения (BARDS)», Analyst , том 138, выпуск 17, стр. 5005-5010, doi:10.1039/C3AN36838F

Внешние ссылки

• Звук чашки с растворимым кофе и без него: демонстрация акустики с использованием пены Эндрю Моррисон и Томас Д. Россинг, 143-е заседание Американской ассоциации кофеен, Питтсбург.
• Видеодемонстрация эффекта горячего шоколада