Картинка Freepik

Людям широко известно такое атмосферное явление, как туман, представляющее собой очень мелкие капельки воды (если температура воздуха превышает -10°С) или взвесь мелких кристалликов льда и капелек воды (если температура воздуха ниже этой отметки).

На первый взгляд, практического применения у такого атмосферного явления нет никакого — разве что остаётся только им любоваться.

Тем не менее даже такое явление может послужить практическим целям, и способов применения его далеко не один. Рассмотрим некоторые из них…

Примечание: далее будут рассматриваться явления не только собственно природы тумана, но и визуально схожие с ним ;-)

Ультразвуковые туманы

Одним из самых известных способов применения являются широко известные увлажнители воздуха, где обычная вода разбивается на мельчайшие капельки быстро бьющим по ней диффузором ультразвукового пьезоэлектрического излучателя, погруженного в воду.

Такой способ распыления воды весьма эффективный, недорогой и малозатратный.

В качестве необычного способа применения такого распылителя воды делают небольшие настольные деревца бонсай с садом камней у их основания, мхом и прочими мелкими деталями (например, маленьким обращающимся колесом водяной мельницы, которую крутит такой же миниатюрный ручеёк). И по всему этому стелется туман, медленно переливаясь и стекая через края горшка.

Надо отметить — весьма умиротворяющая картина… В своё время, когда мне приходилось их видеть относительно массово (2004-2005 годы), такие штуки стоили довольно дорого и были доступны довольно ограниченному кругу.

Сейчас же, с распространением увлечения настольными миниатюрами и доступностью 3D-печати каждый может сотворить себе нечто подобное.

Кстати говоря, это может стать неплохим маленьким стартапом, не требующим для начала особых вложений.

Внизу для развития воображения, я собрал небольшую подборку наиболее впечатляющих, на мой взгляд, примеров настольных природных миниатюр, которые будут хорошо смотреться как с туманом, так и без него:


Ещё одним альтернативным способом применения такого ультразвукового увлажнителя воздуха, который мне приходилось использовать лично, является распыление с его помощью различных ароматических и лечебных смесей.

Например, я добавлял в воду пихтовое масло (несколько капель), и буквально через несколько минут в помещении устанавливался такой густой запах, как будто внесли и распаковали свежую новогоднюю ель!

И, завершая эту тему, в качестве весьма интересной идеи, хотя и не про туман: песчаный водопад внутри аквариума с водой (кое-кто уже делает такие на заказ). Смотрится как какая-то компьютерная графика, но тем не менее это реально:

Камера Вильсона

В ходе исследований учёными было обнаружено, что для образования тумана в природных условиях, кроме собственно низкой температуры, необходимо ещё и наличие насыщенного пара и центров конденсации — то есть неких частиц, вокруг которых и будут собираться капельки испарённого вещества, образуя видимый туман.

Изначально было принято считать, что в обычных условиях основными центрами конденсации служит пыль, так как в ходе экспериментов учёные обнаружили, что если отфильтровать воздух даже через обычную ватку, вероятность образования тумана резко уменьшается.

В первых опытах для исследования условий туманообразования использовалась камера, в которой происходило естественное испарение воды, а насыщенность этой камеры парами создавалась за счёт того, что камера была связана с сосудом, из которого был откачан воздух. Когда между этой камерой и сосудом открывали вентиль, воздух из экспериментальной камеры устремлялся в пустой сосуд, а в испытательной камере возникал туман (за счёт того, что для упавшего давления концентрация паров становилась критической, или, если говорить профессиональным языком, «возникало насыщение», что и приводило к конденсации паров).

В дальнейшем конструкция была усовершенствована, и вместо сосуда с откачанным воздухом испытательная камера была соединена с цилиндром, в котором постоянно двигался поршень, что дало возможность проводить этот опыт не однократно, а с периодичностью один раз в несколько секунд.

Кстати говоря, примерно подобный опыт легко может провести каждый: для этого достаточно всего лишь взять одноразовый шприц без иголки, предварительно заполнить его полностью воздухом, заткнуть его патрубок пальцем и резко, на максимальную глубину, насколько возможно, вдавить поршень, после чего открыть патрубок — шприц наполнится туманом.

В качестве любопытной мысли: способ со шприцем можно использовать в качестве самой дешёвой и простой камеры Вильсона.

Собственно говоря, такая конструкция и представляет собой одну из первых итераций камеры Вильсона:

Картинка: elib.biblioatom.ru

Только в оригинале происходило разрежение, за счёт увеличения объёма камеры, а в случае со шприцем — разрежение в шприце возникает за счёт резкого выброса сжатого воздуха из него в атмосферу, после открытия патрубка (я пробовал просто резко выдёргивать шток, чтобы опыт был аналогичен опытам Вильсона — но, в случае использования шприца, разрежение получается недостаточным).

Как уже было сказано, изначально предполагалось, что центрами конденсации являются исключительно пылинки, тем не менее со временем было обнаружено, что в этом процессе принимают участие и ионы газа.

Дело в том, что на практике исследовалось возникновение тумана в воздухе, очищенном от пыли, и было обнаружено, что образование тумана начинается при расширении газа, наполняющего камеру, в пределах от 1,25 до 1,37 к изначальному объёму. Если расширение составляет менее 1,25, то образования тумана не наблюдается.

При этом в среднем образование тумана протекает следующим образом: если при расширении газа от 1,25 до 1,37 только начинается возникновение отдельных зон тумана, то при преодолении отметки в 1,37 наблюдается уже густой туман, плотность которого только увеличивается с увеличением расширения газа в камере. При этом напомним, что воздух очищен от пыли, соответственно, надо искать другие причины возникновения конденсации капелек воды.

В результате таких поисков, в ходе одного из опытов, Ч. Вильсон попробовал разместить рядом с камерой рентгеновскую трубку и кусочек урана. В итоге при создании соответствующего расширения от 1,25 до 1,37 наблюдался плотный, густой туман. Также было обнаружено, что величина радиации влияет только на густоту тумана, и в то же время его возникновение невозможно, если расширение составляет менее чем 1,25.

Кроме того, была обнаружено, что если на камеру воздействовать сильным электрическим полем, то туман не образуется.

Таким образом, стало ясно, что причиной возникновения тумана является прохождение частиц сквозь камеру, что вызывает ионизацию газа камеры, а уже вокруг этих ионов и собираются капельки воды.

В дальнейшем это открытие использовалось Ч. Вильсоном для фотографирования путей альфа, гамма-частиц, а также рентгеновских лучей: для этого он резко расширял воздух испытательной камеры, наполненный парами воды, что приводило к тому, что количество паров воды в воздухе оказывалось больше, чем это положено по состоянию насыщения. Это, в свою очередь, вызывало конденсацию паров воды на ионах ионизированного по пути движения частицы в воздухе газа, и путь этой частицы становился видимым.

Не правда ли, очень сильно похоже на процесс наблюдения тумана в шприце? В принципе, в теории, можно попробовать использовать тот же самый одноразовый шприц для наблюдения этих трасс. Пожалуй, это был бы самый простой и дешёвый вариант камеры Вильсона ;-)

Нужно будет только разработать способ фотографирования таких миниатюрных объектов. Наверное, можно для этих целей использовать широко известные линзы-наклейки на смартфон, превращающие гаджет в микроскоп. Кроме того, остаётся решить сложность фотографирования сквозь матовую стенку шприца…

Практических способов реализации камеры Вильсона может быть множество, и ниже показана одна из них: экспериментаторы расположили под дном камеры некоторое количество сухого льда, а наверху камеры разместили впитывающий материал, пропитанный спиртом.

Спирт, испаряясь, образует пары, которые спускаясь вниз к зоне низкой температуры и проходя весь градиент её понижения, входят в точку насыщения, где начинают конденсироваться как сами по себе, так и вдоль трасс пролетающих частиц, испускаемых стержнем из 2% сплава тория, делая эти трассы видимыми:

А ниже проделан тот же самый опыт, только здесь не используется какой-либо дополнительный источник излучения, и в качестве туманообразователя применяется изопропиловый спирт, а охладителя — тот же самый сухой лёд.

Такой способ позволяет воочию наблюдать множество космических лучей, бомбардирующих Землю каждую секунду — с помощью визуализации их трасс. Наглядно показано и объяснено, чем отличаются трассы альфа-частиц, от трасс мюонов, электронов и позитронов:

Если кто захочет больше почитать о камере Вильсона, то это можно сделать здесь или здесь.

Виртуальные мониторы в воздухе

В рекламной индустрии периодически встречается такая интересная вещь, как виртуальный монитор, в качестве которого выступает плоская, тонкая струя тумана, прямо на которую проецируется картинка с видеопроектора.

Мне приходилось видеть такие штуки в жизни и даже проходить сквозь них — в реальности смотрится весьма впечатляюще:

Каким образом добиваются создания такого эффекта: в качестве основного средства для создания тумана используется массив из ультразвуковых излучателей того же типа, которые используются для увлажнителей воздуха.

Воздушный туман, произведённый этими излучателями, выдувается с использованием массива вентиляторов, которые применяются обычно в компьютерах.

Для создания ламинарного потока тумана (чтобы экран получился максимально «гладким», так как любые завихрения портят картинку) этот туман выдувается через массив обычных трубочек, используемых для питья напитков:

В итоге получается очень простая и недорогая система.

А вот здесь можно найти более простой вариант, собранный из домашнего увлажнителя.

Для наилучшего наблюдения эффекта рекомендуется видеопроектор размещать таким образом, чтобы он «светил в бесконечность, в пустоту». То есть, таким образом, чтобы не возникало второе изображение за туманным экраном, например, на стене. Тогда эффект будет восприниматься наиболее сильно.

Единственным минусом такой системы является то, что для создания этого плоского потока тумана требуется достаточно габаритное устройство, состоящее из элементов, описанных выше.

Правда не так давно учёные открыли очень интересный эффект, который, возможно, позволит создавать такие мониторы произвольно, в любом месте, используя компактную систему: был произведён эксперимент, в ходе которого была подтверждена на практике вероятность конденсации паров воды, содержащихся в воздухе, используя ионизацию воздуха с помощью лазера.

В ходе этого эксперимента был выявлен интересный эффект, благодаря которому луч лазера относительно большой мощности может распространяться на большие расстояния, продолжая сохранять возможность ионизации воздуха, так как при этом наблюдается циклический эффект рассеяния/самофокусировки луча — практически как синусоида на дистанциях в десятки и даже сотни метров (туманный экран какой диагонали вы хотели — 50 или 100 метров?). Подробнее прочитать об этом эксперименте можно здесь.

А пока любой желающий может попробовать собрать более простую версию такого экрана «на трубочках и увлажнителях».

Синий туман, похож на обман...

Вплоть до конца восьмидесятых годов был распространён популярный эффект, которым не преминул воспользоваться практически каждый уважающий себя эстрадный исполнитель — густой белый туман, стелющийся по сцене во время выступления. Тренд этих лет даже был отражён в известном мультфильме «Ну, погоди»:

Проблемой такого способа создания тумана является только то, что он относительно дорогой, так как используется сухой лёд, и относительно небезопасный, так как в результате его таяния образуется большое количество CO2.

Тем не менее есть любопытный способ это обойти: берётся массив уже известных вам ультразвуковых увлажнителей и размещается в большой ёмкости.

Далее рядом с этой ёмкостью, на некотором расстоянии (чтобы не испортить ёмкость горячим дымом) размещается дым-машина, обычно используемая для дискотек. В качестве справки: она предназначена для быстрого сжигания смесей на основе глицерина, что даёт большое количество густого белого дыма с малым запахом.

При включении этих двух устройств одновременно дым проходит через ёмкость, заполненную туманом от ультразвуковых излучателей, и охлаждается.

Благодаря чему из другого отверстия ёмкости, обычно соединённого со шлангом, лежащим на полу, начинает вытекать холодный, тяжёлый дым, который стелется по земле или полу:

Альтернативной, более сложной версией такого устройства является всё то же самое, только в качестве способа охлаждения дыма используется сухой лёд:

Любой подход по созданию холодного дыма позволяет создавать весьма впечатляющие картины (для съёмки своих видеоклипов или ужастиков — самое оно):

В качестве альтернативного применения — можно попробовать травить вредных насекомых на садовом участке, если подобрать «правильный» дым. Или, например, защищать землю от заморозков, создавая дымовую завесу над ней — старый известный способ, когда жгут костры во время заморозков, что создаёт дымовую завесу над землёй и защищает от излучения тепла. А тут, с дым-машиной это можно легко автоматизировать и включать систему по графику и даже сделать с удалённым управлением.

Подытоживая рассказ, можно отметить, что даже такой природный эффект, как туман, люди постарались обратить в свою пользу. Наверняка эта статья не содержит все возможные варианты практического применения тумана. Может быть, вы сможете назвать какой-то свой вариант? ;-)

© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?