Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.981 RSS
←   Декабрь 2006   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
11.12.2006
10:09:01
16:51:04
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.981 подписчиков
+9 за неделю
←   Все выпуски   →

Разгадана тайна быстрого звука в воде


«Хронология далекого прошлого»

Хронология далекого прошлого

18 тысяч лет назад...
330 миллионов лет назад...
Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять?

Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

Разгадана тайна быстрого звука в воде

13.12.2006

Аномальная высокая скорость распространения высокочастотного ультразвука в воде 20 лет не давала физикам покоя. Сейчас это явление окончательно объяснено (изображение с сайта otsuka-lab.ee.cit.nihon-u.ac.jp)
Аномальная высокая скорость распространения высокочастотного ультразвука в воде 20 лет не давала физикам покоя. Сейчас это явление окончательно объяснено (изображение с сайта otsuka-lab.ee.cit.nihon-u.ac.jp)

Эксперименты итальянских физиков позволили наконец-то дать окончательное объяснение явлению быстрого звука в воде. Из двух существующих сегодня теорий — вискоэластичной и двухкомпонентной — эти эксперименты подтвердили первую и опровергли вторую.

В обычных условиях скорость звука в воде составляет примерно 1,5 километра в секунду и не зависит от частоты звуковой волны. Однако уже давно известно, что ультразвуковые колебания с частотой несколько терагерц (1 терагерц = 1012 Гц) распространяются в воде со скоростью примерно вдвое большей. Это явление было открыто экспериментально 20 лет назад, намеки на него появлялись и при численном моделировании динамики воды на атомарном уровне, но несмотря на всё это общепринятого его объяснения до сих пор не было. Только сейчас, благодаря экспериментам итальянских физиков, опубликованных в статье S. C. Santucci et al., Physical Review Letters, 97, 225701 (27 November 2006), в природе этого явления расставлены все точки над «i» (статья доступна также на сайте авторов, PDF, 274 Кб).

Сразу стоит подчеркнуть, что опыты со столь высокочастотным ультразвуком ставить очень непросто. Акустические излучатели в этом диапазоне пока не придуманы, и потому физикам приходится определять скорость такого ультразвука косвенными методами. Для этого воду облучают потоком нейтронов или рентгеновских лучей, которые, сталкиваясь с молекулами воды, порождают в микроскопическом объемчике быстрые колебания и передают им часть своей энергии и импульса. Из соотношения этих двух величин и выводится скорость распространения звуковых колебаний.

На сегодня существует две основных теории, претендующих на объяснение этого явления. В соответствии с первой, для звука всё более высокой частоты вода становится всё более упругой и всё менее подвижной средой (такие среды называются вискоэластиками). В результате колебания с такой высокой частотой распространяются скорее через упругую, почти твердую среду, а в твердом теле скорость звука выше, чем в жидкости (скорость звука во льду, например, как раз и составляет примерно 3 км/сек).

Вторая теория основана на том факте, что вода состоит из переплетенной сети ионов двух типов: очень легких ионов водорода и тяжелых ионов кислорода. Вычисления показывают, что часто в таких двухкомпонентных средах с сильно различающимися массами существует специальный тип быстрых звуковых волн, которые распространяются исключительно через сеть легких атомов. Эта теория уже хорошо себя зарекомендовала для описания быстрого звука в двухкомпонентных газах и металлических сплавах, и потому кажется естественным, что она будет работать и для воды.

Обе эти модели, разумеется, согласуются с описанными выше экспериментами, однако они совершенно по-разному описывают переход от нормального звука к быстрому, который должен происходить при меньших частотах, в гигагерцевом диапазоне. Поэтому для ответа на вопрос, какая из двух моделей верна, требуется измерить зависимость скорости звука от частоты в этой промежуточной области. Дополнительная сложность такого эксперимента состоит в том, что наиболее четко переход от нормального к быстрому звуку проявляется в очень холодной и даже переохлажденной воде (то есть ниже нуля градусов Цельсия). Эксперименты с переохлажденной водой требуют сноровки, поскольку при малейшем возмущении она быстро кристаллизуется.

Именно этот опыт и поставили итальянские физики. Изучая рассеяние оптических и ультрафиолетовых фотонов, они смогли просканировать частотный диапазон звуковых колебаний от 1 до 100 ГГц и впервые получили точные данные о скорости звуковых колебаний в этом диапазоне. Эксперимент абсолютно четко показал, что при повышении частоты (или при понижении температуры) скорость звука действительно постепенно отходит от «нормальной» зависимости и начинает расти (в существовании такого плавного перехода, кстати, мнения тоже разделялись).

Кроме того, авторы статьи сравнили свои данные с предсказаниями обеих моделей и доказали, что эксперимент подтверждает вискоэластичную модель и противоречит выводам двухкомпонентной модели. Таким образом, можно считать, что в многолетнем споре приверженцев двух моделей поставлена точка. В целом же, эта работа лишний раз подчеркивает поразительное разнообразие структурных и динамических свойств воды (для дальнейшего ознакомления см. популярную статью: Ю. И. Головин. Вода и лед — знаем ли мы о них достаточно? // СОЖ, 2000, № 9, с. 66–72).

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

13.12 В «неслабом мире» жизнь тоже возможна

Американские физики рассмотрели модель эволюции вселенной, которая похожа на нашу во всех отношениях, кроме одного — в ней нет слабого взаимодействия. Оказывается, что и в таком «обедненном» мире возможен первичный нуклеосинтез, приводящий к рождению водорода и гелия в «нашей» пропорции. В «неслабой» вселенной теоретически возможно даже возникновение жизни.

12.12 Открыт новый механизм регуляции работы генов у бактерий

Американские биологи расшифровали механизм, при помощи которого кишечная палочка приостанавливает работу своих генов при недостатке ресурсов и снова включает их, когда условия улучшаются. Данная регуляторная система, основанная на конкуренции между ДНК и РНК за контроль над ферментом РНК-полимеразой, возможно, является одним из отголосков эпохи РНК-мира.

12.12 Черную дыру поймали с поличным

Группе астрономов, работающих на новом ультрафиолетовом телескопе GALEX, запущенном 28 апреля 2003 года, удалось с самого начала наблюдать процесс поглощения звезды черной дырой в одной из отдаленных галактик в созвездии Волопаса. Наблюдение продолжается, поскольку «трапеза» черной дыры еще не закончена.

11.12 Найден самый древний из ферментов

Изучив структуру фермента РНК-зависимой РНК-полимеразы, размножающей короткие молекулы РНК у гриба Neurospora crassa, британские и финские биологи пришли к выводу, что этот белок, способный размножать молекулы РНК без участия ДНК, представляет собой реликт эпохи РНК-мира. На его древность указывают результаты сравнения с другими изученными РНК-полимеразами.

11.12 Экзотический магнетизм в диоксиде нептуния получил объяснение

Происхождение магнетизма в диоксиде нептуния долгое время оставалось загадкой. Недавние вычисления показали, что он возникает, скорее всего, из-за магнитного триаконтадипольного взаимодействия, примеров которого физика еще не знала.

11.12 Не все красные вина одинаково полезны для сосудов

Регулярное умеренное потребление сухого красного вина снижает риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний. Это происходит из-за того, что содержащиеся в вине особые вещества из группы фенолов тормозят образование эндотелина — пептида, вырабатываемого внутренними стенками самих кровеносных сосудов и вызывающего их сужение.

07.12 Рыбы-груперы зовут на охоту мурен в качестве помощников

Подводные исследования интернациональной команды биологов показали, что два вида рыб — груперы и мурены — часто охотятся вместе. Совместная охота выгодна обоим хищникам. В случае удачной охоты добыча достается либо груперу, который без мурены не смог бы выгнать рыбку из узкого укрытия, либо мурене, которая без групера не нашла бы рыбку.

06.12 Хороший забор — главное условие восстановления мамонтовых степей

Закончено сооружение 20-километрового забора вокруг «Плейстоценового парка» на севере Якутии. Теперь можно переселить в заказник (к уже живущим там лошадям, лосям, оленям и медведям) остальных уцелевших представителей мамонтовой фауны. Так Сергей Зимов рассчитывает восстановить экосистему мамонтовых степей, превосходившую по продуктивности нынешнюю тайгу и тундру.

05.12 Высокая плодовитость отцов способствует рождению сыновей

Согласно гипотезе, высказанной 30 лет назад, соотношение полов у потомства зависит от тех свойств родителей, которые влияют на репродуктивный успех одного из полов. Однако пока были лишь экспериментальные доказательства ведущей роли самок в определении пола потомства. И вот испанские биологи показали, что у благородных оленей доля сыновей зависит от плодовитости отца.
В избранное