Американские ученые-физики представили простой и весьма точный эксперимент для количественного измерения законов диффузии с использованием пищевого красителя и сваренных вкрутую яиц. В ходе исследования, яйца варили вкрутую, очищали от скорлупы, после чего мариновали их в растворе пищевого красителя разное количество времени. Subsequently, the eggs were cut open and photographed to document the stained layer. Результаты исследования опубликованы в журнале American Journal of Physics. Авторы подчеркивают, что изучение сложных физических явлений не всегда требует дорогостоящего оборудования. Такой доступный метод открывает возможности для школьников и студентов университетов, которые не имеют доступа к дорогим лабораторным установкам. Поиск простых и недорогих экспериментов, позволяющих изучать сложные физические феномены, является актуальной задачей для многих физиков.
Ранее уже были представлены примеры таких экспериментов: пружина, консервная банка и смартфон – для изучения акустической дисперсии; вафли с карамелью в шоколадной глазури – для исследования композитных материалов.
Сложнее обстоит дело с диффузией, то есть процессом, с помощью которого вещество переносится из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией в результате хаотического броуновского движения. Простая демонстрация диффузии состоит в том, чтобы выпустить пахучее вещество в воздух или каплю красителя в стоячую воду, а затем измерить расстояние, пройденное запахом или красителем с течением времени с помощью носа или глаз учащихся. В таком опыте можно измерить коэффициент диффузии, если построить зависимость этого расстояния от времени и провести подгонку теоретической кривой. Главным препятствием на этом пути стала низкая точность измерения из-за флуктуирующего характера концентрации и неприборного измерения, а также сложность учета температуры.
Сан-Чжин Ре (Sangjin Ryu) с коллегами из Университета Небраски в Линкольне предложили оригинальный способ для решения этой проблемы, использовав для этого маринующиеся куриные яйца, сваренные вкрутую. В их опыте белок выступал в качестве среды, в которую диффундировали молекулы пищевого красителя, поступающего из маринада. Главной особенностью эксперимента стала возможность фиксации результатов диффузии с помощью разреза яйца и измерения глубины проникновения с большей точностью.
Для начала физики приготовили раствор, смешав 25 миллилитров красного пищевого красителя марки Tone’s с 1,25 литрами воды. В контейнер с раствором они помещали 12-15 сваренных и очищенных яиц, закрывали его пластиковой пленкой и фольгой и держали при трех различных температурах: 4 градуса (холодильник), 21 градус (комнатная температура) и 60 (печь). Исследователи доставали яйца через определенные промежутки времени, аккуратно разрезали их вдоль и фотографировали с помощью цифровой камеры.
Каждое изображение подвергалось цифровой обработке с помощью пакета MATLAB. Обработка включала в себя перевод изображения в градации серого и пороговую фильтрацию с параметром 0,3 для получения резкой границы диффузии, а также дополнительной фильтрации различных дефектов в яйце. Физики определяли минимальное расстояние между каждой точкой получившейся границы и границей яйца, усредняли его и строили график зависимости этого расстояния от времени.
Этапы обработки изображения. (a) Исходная фотография с наложенной эталонной линейкой. (b) Перевод изображения в градации серого. (c) Результат пороговой и дополнительной фильтрации. (d) Вычисление наименьших расстояний (зеленые линии). Carson Emeigh et al. / American Journal of Physics
Графики зависимости глубины диффузии от времени маринования для разных температур. Красным цветом обозначены результаты аппроксимации. Во врезах эти же графики, но в координатах квадратного корня от времени. Carson Emeigh et al. / American Journal of Physics
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
