Μαθαίνουμε φυσική και διδάσκουμε παιδιά χωρίς να βγαίνουν από την κουζίνα

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Περνάμε 1-2 ώρες στην κουζίνα κάθε μέρα. Κάποιος λιγότερο, κάποιος περισσότερο. Τούτου λεχθέντος, σπάνια σκεφτόμαστε σωματικά φαινόμενα όταν μαγειρεύουμε πρωινό, μεσημεριανό γεύμα ή δείπνο. Αλλά δεν μπορεί να υπάρξει μεγαλύτερη συγκέντρωση τους στις καθημερινές συνθήκες από ό,τι στην κουζίνα, στο διαμέρισμα. Μια καλή ευκαιρία να εξηγήσετε τη φυσική στα παιδιά!

1. Διάχυση

Στην κουζίνα βρισκόμαστε συνεχώς αντιμέτωποι με αυτό το φαινόμενο. Το όνομά του προέρχεται από το λατινικό diffusio - αλληλεπίδραση, διασπορά, διανομή.

Αυτή είναι η διαδικασία αμοιβαίας διείσδυσης μορίων ή ατόμων δύο γειτονικών ουσιών. Ο ρυθμός διάχυσης είναι ανάλογος με την περιοχή διατομής του σώματος (όγκος) και τη διαφορά στις συγκεντρώσεις, τις θερμοκρασίες των μικτών ουσιών. Εάν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας, τότε ρυθμίζει την κατεύθυνση διάδοσης (βαθμίδα) - από ζεστό στο κρύο. Ως αποτέλεσμα, συμβαίνει αυθόρμητη ευθυγράμμιση των συγκεντρώσεων των μορίων ή των ατόμων.

Αυτό το φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί στην κουζίνα όταν εξαπλώνονται οσμές. Χάρη στη διάχυση των αερίων, καθισμένοι σε άλλο δωμάτιο, μπορείτε να καταλάβετε τι είναι το μαγείρεμα. Όπως γνωρίζετε, το φυσικό αέριο είναι άοσμο και σε αυτό προστίθεται ένα πρόσθετο για να διευκολυνθεί ο εντοπισμός της διαρροής οικιακού αερίου.

Ένα αρωματικό όπως η αιθυλική μερκαπτάνη προσθέτει μια πικάντικη οσμή. Εάν ο καυστήρας δεν ανάψει την πρώτη φορά, τότε μπορούμε να μυρίσουμε μια συγκεκριμένη μυρωδιά, την οποία γνωρίζουμε από την παιδική ηλικία ως μυρωδιά οικιακού αερίου.

Και αν ρίξετε κόκκους τσαγιού ή ένα φακελάκι τσαγιού σε βραστό νερό και δεν ανακατέψετε, μπορείτε να δείτε πώς απλώνεται το έγχυμα τσαγιού στον όγκο του καθαρού νερού.

Αυτή είναι η διάχυση υγρών. Ένα παράδειγμα διάχυσης σε ένα στερεό θα ήταν το αλάτισμα ντομάτας, αγγουριού, μανιταριού ή λάχανου. Οι κρύσταλλοι αλατιού στο νερό διασπώνται σε ιόντα Na και Cl, τα οποία, κινούμενοι χαοτικά, διεισδύουν ανάμεσα στα μόρια των ουσιών στη σύνθεση των λαχανικών ή των μανιταριών.

2. Αλλαγή κατάστασης συσσώρευσης

Λίγοι από εμάς παρατηρήσαμε ότι σε ένα αριστερό ποτήρι νερό, μετά από λίγες μέρες, εξατμίζεται το ίδιο μέρος του νερού σε θερμοκρασία δωματίου όπως όταν βράζει για 1-2 λεπτά. Και όταν καταψύχουμε φαγητό ή νερό για παγάκια στο ψυγείο, δεν σκεφτόμαστε πώς συμβαίνει αυτό.

Εν τω μεταξύ, αυτά τα πιο κοινά και κοινά φαινόμενα της κουζίνας εξηγούνται εύκολα. Ένα υγρό έχει μια ενδιάμεση κατάσταση μεταξύ στερεών και αερίων.

Σε θερμοκρασίες διαφορετικές από το βρασμό ή την κατάψυξη, οι δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων σε ένα υγρό δεν είναι τόσο ισχυρές ή αδύναμες όσο στα στερεά και τα αέρια. Επομένως, για παράδειγμα, λαμβάνοντας μόνο ενέργεια (από τις ακτίνες του ήλιου, μόρια αέρα σε θερμοκρασία δωματίου), τα υγρά μόρια από την ανοιχτή επιφάνεια περνούν σταδιακά στην αέρια φάση, δημιουργώντας μια τάση ατμών πάνω από την επιφάνεια του υγρού.

Ο ρυθμός εξάτμισης αυξάνεται με την αύξηση της επιφάνειας του υγρού, την αύξηση της θερμοκρασίας και τη μείωση της εξωτερικής πίεσης. Εάν η θερμοκρασία είναι αυξημένη, τότε η τάση ατμών αυτού του υγρού φτάνει στην εξωτερική πίεση. Η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει αυτό ονομάζεται σημείο βρασμού. Το σημείο βρασμού μειώνεται με τη μείωση της εξωτερικής πίεσης. Επομένως, στις ορεινές περιοχές το νερό βράζει πιο γρήγορα.

Αντίθετα, όταν η θερμοκρασία πέφτει, τα μόρια του νερού χάνουν την κινητική τους ενέργεια στο επίπεδο των δυνάμεων έλξης μεταξύ τους. Δεν κινούνται πλέον χαοτικά, γεγονός που επιτρέπει το σχηματισμό ενός κρυσταλλικού πλέγματος όπως αυτό των στερεών. Η θερμοκρασία 0 ° C στην οποία συμβαίνει αυτό ονομάζεται σημείο πήξης του νερού.

Όταν παγώσει, το νερό διαστέλλεται. Πολλοί άνθρωποι μπορούσαν να εξοικειωθούν με αυτό το φαινόμενο όταν έβαλαν ένα πλαστικό μπουκάλι με ένα ποτό στην κατάψυξη για γρήγορη ψύξη και το ξέχασαν και μετά το μπουκάλι έσκαγε. Όταν ψύχεται σε θερμοκρασία 4 ° C, παρατηρείται πρώτα μια αύξηση στην πυκνότητα του νερού, στην οποία επιτυγχάνεται η μέγιστη πυκνότητα και ο ελάχιστος όγκος του. Στη συνέχεια, σε θερμοκρασίες από 4 έως 0 ° C, εμφανίζεται μια αναδιάταξη των δεσμών στο μόριο του νερού και η δομή του γίνεται λιγότερο πυκνή.

Σε θερμοκρασία 0 ° C, η υγρή φάση του νερού μετατρέπεται σε στερεή. Αφού το νερό παγώσει τελείως και μετατραπεί σε πάγο, ο όγκος του αυξάνεται κατά 8, 4%, γεγονός που οδηγεί στο σκάσιμο του πλαστικού μπουκαλιού. Η περιεκτικότητα σε υγρά σε πολλά προϊόντα είναι χαμηλή, επομένως δεν αυξάνονται τόσο αισθητά σε όγκο όταν καταψύχονται.

3. Απορρόφηση και προσρόφηση

Αυτά τα δύο σχεδόν αχώριστα φαινόμενα, που ονομάζονται από το λατινικό sorbeo (να απορροφά), παρατηρούνται, για παράδειγμα, όταν ζεσταίνουμε νερό σε βραστήρα ή κατσαρόλα. Ένα αέριο που δεν δρα χημικά σε ένα υγρό μπορεί ωστόσο να απορροφηθεί από αυτό όταν έρθει σε επαφή με αυτό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται απορρόφηση.

Όταν τα αέρια απορροφώνται από στερεά λεπτόκοκκα ή πορώδη σώματα, τα περισσότερα από αυτά συσσωρεύονται πυκνά και συγκρατούνται στην επιφάνεια των πόρων ή των κόκκων και δεν κατανέμονται σε όλο τον όγκο. Σε αυτή την περίπτωση, η διαδικασία ονομάζεται προσρόφηση. Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να παρατηρηθούν όταν βράζει νερό - οι φυσαλίδες χωρίζονται από τα τοιχώματα μιας κατσαρόλας ή του βραστήρα όταν θερμαίνονται.

Ο αέρας που απελευθερώνεται από το νερό περιέχει 63% άζωτο και 36% οξυγόνο. Γενικά, ο ατμοσφαιρικός αέρας περιέχει 78% άζωτο και 21% οξυγόνο.

Το επιτραπέζιο αλάτι σε ένα ακάλυπτο δοχείο μπορεί να βραχεί λόγω των υγροσκοπικών του ιδιοτήτων - την απορρόφηση υδρατμών από τον αέρα. Και η μαγειρική σόδα δρα ως προσροφητικό όταν τοποθετείται στο ψυγείο για να απομακρύνει τις οσμές.

4. Εκδήλωση του νόμου του Αρχιμήδη

Όταν είμαστε έτοιμοι να ψήσουμε το κοτόπουλο, γεμίζουμε την κατσαρόλα με νερό περίπου το μισό ή τα ¾, ανάλογα με το μέγεθος του κοτόπουλου. Βυθίζοντας το σφάγιο σε μια κατσαρόλα με νερό, παρατηρούμε ότι το βάρος του κοτόπουλου στο νερό μειώνεται αισθητά, και το νερό ανεβαίνει στις άκρες της κατσαρόλας.

Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από τη δύναμη άνωσης ή τον νόμο του Αρχιμήδη. Σε αυτή την περίπτωση, σε ένα σώμα βυθισμένο σε ένα υγρό δρα μια δύναμη άνωσης, ίση με το βάρος του υγρού στον όγκο του βυθισμένου μέρους του σώματος. Αυτή η δύναμη ονομάζεται δύναμη του Αρχιμήδη, όπως και ο ίδιος ο νόμος, που εξηγεί αυτό το φαινόμενο.

5. Επιφανειακή τάση

Πολλοί θυμούνται τα πειράματα με φιλμ υγρών, τα οποία προβάλλονταν στα μαθήματα φυσικής στο σχολείο. Ένα μικρό συρμάτινο πλαίσιο με μια κινητή πλευρά βυθίστηκε σε σαπουνόνερο και στη συνέχεια τραβήχτηκε έξω. Οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης στο φιλμ που σχηματίστηκε κατά μήκος της περιμέτρου σήκωσαν το κάτω κινητό τμήμα του πλαισίου. Για να παραμείνει ακίνητο, ένα βάρος αιωρήθηκε από αυτό όταν επαναλήφθηκε το πείραμα.

Αυτό το φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί σε ένα σουρωτήρι - μετά τη χρήση, το νερό παραμένει στις τρύπες στο κάτω μέρος αυτών των σκευών κουζίνας. Το ίδιο φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί μετά το πλύσιμο των πιρουνιών - υπάρχουν επίσης λωρίδες νερού στην εσωτερική επιφάνεια ανάμεσα σε μερικά από τα δόντια.

Η φυσική των υγρών εξηγεί αυτό το φαινόμενο ως εξής: τα μόρια υγρών είναι τόσο κοντά το ένα στο άλλο που οι δυνάμεις έλξης μεταξύ τους δημιουργούν επιφανειακή τάση στο επίπεδο της ελεύθερης επιφάνειας. Εάν η δύναμη έλξης των μορίων νερού της υγρής μεμβράνης είναι ασθενέστερη από τη δύναμη έλξης στην επιφάνεια του τρυπητό, τότε η μεμβράνη νερού σπάει.

Επίσης, οι δυνάμεις της επιφανειακής τάσης είναι αισθητές όταν ρίχνουμε δημητριακά ή μπιζέλια, φασόλια σε μια κατσαρόλα με νερό ή προσθέτουμε στρογγυλούς κόκκους πιπεριού. Μερικοί κόκκοι θα παραμείνουν στην επιφάνεια του νερού, ενώ οι περισσότεροι θα βυθιστούν στον πυθμένα υπό το βάρος των υπολοίπων. Αν πιέσετε ελαφρά τους αιωρούμενους κόκκους με την άκρη του δακτύλου σας ή με ένα κουτάλι, θα ξεπεράσουν την επιφανειακή τάση του νερού και θα βυθιστούν στον πάτο.

6. Διαβροχή και εξάπλωση

Το χυμένο υγρό μπορεί να σχηματίσει μικρούς λεκέδες σε μια σόμπα με επικάλυψη λίπους και μια ενιαία λακκούβα στο τραπέζι. Το θέμα είναι ότι τα υγρά μόρια στην πρώτη περίπτωση έλκονται περισσότερο μεταξύ τους παρά από την επιφάνεια της πλάκας, όπου υπάρχει μια λιπαρή μεμβράνη που δεν βρέχεται από το νερό, και σε ένα καθαρό τραπέζι η έλξη των μορίων του νερού στα μόρια του η επιφάνεια του τραπεζιού είναι υψηλότερη από την έλξη των μορίων του νερού μεταξύ τους. Ως αποτέλεσμα, η λακκούβα απλώνεται.

Αυτό το φαινόμενο σχετίζεται επίσης με τη φυσική των υγρών και σχετίζεται με την επιφανειακή τάση. Όπως γνωρίζετε, μια σαπουνόφουσκα ή τα σταγονίδια υγρού έχουν σφαιρικό σχήμα λόγω των δυνάμεων επιφανειακής τάσης.

Σε ένα σταγονίδιο, τα υγρά μόρια έλκονται μεταξύ τους πιο έντονα από τα μόρια αερίου και τείνουν προς το εσωτερικό του σταγονιδίου υγρού, μειώνοντας την επιφάνειά του. Αλλά, εάν υπάρχει μια στερεή βρεγμένη επιφάνεια, τότε ένα μέρος της σταγόνας κατά την επαφή τεντώνεται κατά μήκος της, επειδή τα μόρια του στερεού έλκουν τα μόρια του υγρού και αυτή η δύναμη υπερβαίνει τη δύναμη έλξης μεταξύ των μορίων του υγρού.

Ο βαθμός διαβροχής και εξάπλωσης σε μια στερεά επιφάνεια θα εξαρτηθεί από τη δύναμη που είναι μεγαλύτερη - η δύναμη έλξης των μορίων ενός υγρού και των μορίων ενός στερεού μεταξύ τους ή η δύναμη έλξης των μορίων μέσα σε ένα υγρό.

Από το 1938, αυτό το φυσικό φαινόμενο έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στη βιομηχανία, στην παραγωγή ειδών οικιακής χρήσης, όταν το υλικό Teflon (πολυτετραφθοροαιθυλένιο) συντέθηκε στο εργαστήριο DuPont.

Οι ιδιότητές του χρησιμοποιούνται όχι μόνο στην κατασκευή αντικολλητικών σκευών, αλλά και στην κατασκευή αδιάβροχων, υδατοαπωθητικών υφασμάτων και επικαλύψεων για ρούχα και παπούτσια. Το τεφλόν αναγνωρίζεται από το βιβλίο των ρεκόρ Γκίνες ως η πιο ολισθηρή ουσία στον κόσμο. Έχει πολύ χαμηλή επιφανειακή τάση και πρόσφυση (κόλλημα), δεν βρέχεται με νερό, γράσο ή πολλούς οργανικούς διαλύτες.

7. Θερμική αγωγιμότητα

Ένα από τα πιο συνηθισμένα φαινόμενα στην κουζίνα που μπορούμε να παρατηρήσουμε είναι η θέρμανση ενός βραστήρα ή του νερού σε μια κατσαρόλα. Θερμική αγωγιμότητα είναι η μεταφορά θερμότητας μέσω της κίνησης των σωματιδίων όταν υπάρχει διαφορά (βαθμίδα) στη θερμοκρασία. Μεταξύ των τύπων θερμικής αγωγιμότητας, υπάρχει και η μεταφορά.

Στην περίπτωση πανομοιότυπων ουσιών, η θερμική αγωγιμότητα των υγρών είναι μικρότερη από αυτή των στερεών και μεγαλύτερη από αυτή των αερίων. Η θερμική αγωγιμότητα των αερίων και των μετάλλων αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και αυτή των υγρών μειώνεται. Βρισκόμαστε συνεχώς αντιμέτωποι με τη μεταφορά, είτε ανακατεύουμε σούπα ή τσάι με ένα κουτάλι, είτε ανοίγουμε ένα παράθυρο είτε ανοίγουμε τον εξαερισμό για να αερίζεται η κουζίνα.

Συναγωγή - από το λατινικό convectiō (μεταφορά) - ένας τύπος μεταφοράς θερμότητας όταν η εσωτερική ενέργεια ενός αερίου ή υγρού μεταφέρεται με πίδακες και ρεύματα. Διάκριση μεταξύ φυσικής μεταφοράς και εξαναγκασμένης μεταφοράς. Στην πρώτη περίπτωση, τα στρώματα υγρού ή αέρα αναμειγνύονται τα ίδια όταν θερμαίνονται ή ψύχονται. Και στη δεύτερη περίπτωση, υπάρχει μια μηχανική ανάμειξη υγρού ή αερίου - με κουτάλι, ανεμιστήρα ή με άλλο τρόπο.

8. Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

Ένας φούρνος μικροκυμάτων ονομάζεται μερικές φορές φούρνος μικροκυμάτων ή φούρνος μικροκυμάτων. Το κύριο στοιχείο κάθε φούρνου μικροκυμάτων είναι ένα magnetron, το οποίο μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μικροκυματική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με συχνότητα έως και 2,45 gigahertz (GHz). Η ακτινοβολία θερμαίνει τα τρόφιμα αλληλεπιδρώντας με τα μόριά του.

Τα προϊόντα περιέχουν διπολικά μόρια που περιέχουν θετικά ηλεκτρικά και αρνητικά φορτία στα αντίθετα μέρη τους.

Αυτά είναι μόρια λίπους, ζάχαρης, αλλά κυρίως τα διπολικά μόρια βρίσκονται στο νερό, το οποίο βρίσκεται σχεδόν σε οποιοδήποτε προϊόν. Το πεδίο μικροκυμάτων, αλλάζοντας συνεχώς την κατεύθυνσή του, κάνει τα μόρια να δονούνται με υψηλή συχνότητα, τα οποία ευθυγραμμίζονται κατά μήκος των γραμμών δύναμης έτσι ώστε όλα τα θετικά φορτισμένα μέρη των μορίων να «κοιτούν» προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Προκύπτει μοριακή τριβή, απελευθερώνεται ενέργεια, η οποία θερμαίνει το φαγητό.

9. Επαγωγή

Στην κουζίνα, μπορείτε να βρείτε όλο και περισσότερο επαγωγικές κουζίνες, οι οποίες βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο. Ο Άγγλος φυσικός Michael Faraday ανακάλυψε την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή το 1831 και από τότε είναι αδύνατο να φανταστούμε τη ζωή μας χωρίς αυτήν.

Ο Faraday ανακάλυψε την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν κλειστό βρόχο λόγω μιας αλλαγής στη μαγνητική ροή που διέρχεται από αυτόν τον βρόχο. Μια σχολική εμπειρία είναι γνωστή όταν ένας επίπεδος μαγνήτης κινείται μέσα σε ένα σπειροειδές κύκλωμα ενός σύρματος (σωληνοειδές) και εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε αυτό. Υπάρχει επίσης μια αντίστροφη διαδικασία - ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα σε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα (πηνίο) δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο.

Μια σύγχρονη επαγωγική κουζίνα λειτουργεί με την ίδια αρχή. Κάτω από ένα υαλοκεραμικό θερμαντικό πάνελ (ουδέτερο σε ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις) μιας τέτοιας σόμπας υπάρχει ένα πηνίο επαγωγής μέσω του οποίου ρέει ηλεκτρικό ρεύμα με συχνότητα 20-60 kHz, δημιουργώντας ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο που προκαλεί δινορευματικά ρεύματα σε ένα λεπτό στρώμα (στρώμα δέρματος) του πάτου ενός μεταλλικού πιάτου.

Η ηλεκτρική αντίσταση θερμαίνει τα πιάτα. Αυτά τα ρεύματα δεν είναι πιο επικίνδυνα από τα ζεστά πιάτα στις συνηθισμένες σόμπες. Τα μαγειρικά σκεύη πρέπει να είναι χάλυβα ή χυτοσίδηρο με σιδηρομαγνητικές ιδιότητες (έλκουν μαγνήτη).

10. Διάθλαση φωτός

Η γωνία πρόσπτωσης του φωτός είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης και η διάδοση του φυσικού φωτός ή του φωτός από τους λαμπτήρες εξηγείται από μια διπλή φύση κυματοσωματιδίων: από τη μια πλευρά, αυτά είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα και από την άλλη, σωματίδια-φωτόνια, που κινούνται με τη μέγιστη δυνατή ταχύτητα στο Σύμπαν.

Στην κουζίνα, μπορείτε να παρατηρήσετε ένα τέτοιο οπτικό φαινόμενο όπως η διάθλαση του φωτός. Για παράδειγμα, όταν υπάρχει ένα διαφανές βάζο με λουλούδια στο τραπέζι της κουζίνας, τα στελέχη στο νερό φαίνεται να μετατοπίζονται στο όριο της επιφάνειας του νερού σε σχέση με τη συνέχισή τους έξω από το υγρό. Το γεγονός είναι ότι το νερό, όπως ένας φακός, διαθλά τις ακτίνες φωτός που αντανακλώνται από τα στελέχη στο βάζο.

Κάτι ανάλογο παρατηρείται σε ένα διαφανές ποτήρι τσάι, στο οποίο βυθίζεται ένα κουτάλι. Μπορείτε επίσης να δείτε μια παραμορφωμένη και μεγεθυμένη εικόνα φασολιών ή δημητριακών στον πάτο μιας βαθιάς γλάστρας με καθαρό νερό.