Енергията, съдържаща се в кълбовидната мълния - Физика в природата кълбовидна мълния, дъга и мираж
Можете да оцените минималното количество енергия в кълбовидната мълния по последствията, които тя оставя след изчезването си. Да използваме доклада на един от наблюдателите: „Тя разтопи част от батерията с диаметър 6 mm, оставяйки дупка с дълбочина 2 mm.“ Това означава, че мълнията е изпарила около 0,45 g желязо. Това изисква енергия от 4 kJ. Естествено, не цялата (и вероятно не цялата) енергия на кълбовидната мълния е изразходвана за изпаряването на малка част от батерията и полученият резултат може да се разглежда само като оценка на долната граница на мълнията: тази енергия се оказва не по-малко от няколко килоджаула.
Ето още едно наблюдение на кълбовидна мълния: „Мълния с диаметър 30 см избухна близо до кран за вода. Този кран беше тръба с диаметър 3 см и височина 80 см. След взрива тръбата се оказа усукана и покрита с котлен камък, въпреки че не светеше до червено. За да усучете желязна тръба, е необходимо част от нейната част да се нагрее до достатъчно висока температура. В същото време, както отбелязва наблюдателят, тръбата не е нажежена до червено. Следователно може да се приеме, че мълнията е нагряла част от тръбата, да речем, с 600 K. Ще приемем, че дължината на тази част е приблизително равна на диаметъра на тръбата. Във връзка с това ще решим следния проблем.
Задача 1.1. Колко енергия е необходима за нагряване на участък от желязна тръба с дължинаl=5 cm с T=600 K? Външен радиус на тръбата R=1,5 cm, вътрешен r=1,2 cm Специфичен топлинен капацитет на желязото c=0,71 J/(g K), плътност на желязото Q=7,8 g/cm 3 .
Решение: Според условието на задачата е необходимо да се нагрее тръбен участък с дължина, т.е. да се нагрее маса желязо: m=Q(R 2 -r 2 ).
Използвайки числените стойности на количествата, получаваме m=100g. От тук намираме необходимата енергия: W=сmT=4.2·10 4 J=42 kJ.
Задача1.2. Колко енергия е необходима на парата, генерирана от нагряване и изпаряване на вода, за да разбие дървена купчина по протежение на влакната? Радиусът на пилота r=0,15 m, дължината на сечението на пилота, в рамките на което се образува пара,l= 0,2 m, пределната якост на дървото, съответстваща на разцепването му по дължината на влакната, p0=3·10 6 Pa; начална температура на водата Т1=20° С; специфичен топлинен капацитет на водата c=4,19 J/(g K), специфична топлина на изпарение =2,26 kJ/g. Вземете коефициента на порьозност на дървесината равен на 0,1.
Решение: Коефициентът на порьозност се разбира като част от обема на дървесината, който пада върху порите. Парата за разбиване на купчини заема обема на порите.
В този обем, при точката на кипене на водата = 380 K, е необходимо да се гарантира, че налягането на водните пари е равно, за което е необходимо да се нагрее до точката на кипене и да се изпари определен брой молове вода. Нека означим този брой молове като . За да го намерим, използваме уравнението на Менделеев-Клапейрон за идеален газ: , където R е универсалната газова константа = 8,31 J/(mol·K). Имайки предвид това, получаваме. Използвайки числените стойности на количествата, намираме = 1,35 mol. Молекулното тегло на водата е 18; Така че един мол вода има маса 18 g. Желаната енергия W се изчислява по формулата:
Като се вземат предвид резултатите от разгледаните задачи, може да се заключи, че енергията, съхранявана в кълбовидната мълния с диаметър 25 cm, е от порядъка на около 100 kJ. Подобна оценка изглежда доста правдоподобна; тя е в съответствие с резултатите, получени въз основа на голям брой наблюдения на кълбовидна мълния. Ако енергията на мълнията е 100 kJ, а диаметърът й е 25 cm, тогава, следователно, плътността на енергията е около 10 J/cm 3 . Всичко на всичкослучай (като се вземат предвид светкавици с различни диаметри) може да се счита, че енергията на кълбовидната мълния приема стойности от няколко килоджаула до няколкостотин килоджаула, а енергийната плътност е в диапазона от приблизително 1 до 10 J/cm 3 .
Както беше отбелязано, енергията, освободена по време на експлозията на кълбовидна мълния, не надвишава приблизително 100 kJ. Това е достатъчно, за да разтопите малко парче метал, да огънете тръба, която не е твърде дебела, да разцепите дънер, да пробиете дървена преграда, да отчупите ъгъл от зидария, да запалите огън. Кълбовидната мълния обаче очевидно не е в състояние да причини наистина сериозни щети.
Най-често кълбовидната мълния заобикаля човек. Много наблюдатели са изненадани от факта, че дори на близко разстояние не са усетили топлината от светкавицата. В някои случаи дори прякото докосване на мълния не причинява никаква вреда; в други случаи такова докосване причинява изгаряния, макар и болезнени, но в никакъв случай не фатални. Следователно температурата на повърхността на мълнията не е висока - тя или съответства на обичайната температура, или леко я надвишава (очевидно с не повече от 100 K). Температурата вътре в кълбовидната мълния е по-висока, отколкото на повърхността й, но е малко вероятно да надхвърли 300-400 °C.
Може да се твърди, че опасността от кълбовидна мълния е явно преувеличена. Както показва практиката, линейната мълния е много по-опасна. Страхът ни от кълбовидната мълния не се основава на реална опасност, а на невъзможността да предвидим как ще се държи след секунда, две, три.
Как точно се ражда кълбовидната мълния, когато се разреди обикновена мълния? Все още нищо определено не може да се каже по този въпрос. Има само различни предположения. Може да се приеме, например, че кълбовидната мълния възниква в момента на спускане от облакастъпаловидният лидер среща контра лидера на няколко десетки метра над земята. Възможно е също кълбовидната мълния да се появи на мястото на особено остър пробив при обикновената мълния или на мястото, където тя е била раздвоена. Невъзможно е да не се вземат предвид съобщенията, че кълбовидната мълния е възникнала от земята или водата на мястото, което току-що е било ударено от обикновена мълния. И накрая, кълбовидната мълния може да се роди по време на електрически разряд между облаците. Ясно е, че във всички тези случаи кълбовидната мълния се образува поради енергията на разряда на обикновена мълния.
Кълбовидната мълния се счита за много рядко явление поради това, че може да се наблюдава изключително рядко. Това обаче не означава, че кълбовидната мълния се появява рядко. Честотата на нейните наблюдения не трябва да се бърка с честотата на нейните изяви. Съществува хипотеза, според която кълбовидната мълния се появява толкова често, колкото обикновената мълния. Обикновената светкавица мига ярко, ясно се вижда на километри и дори десетки километри; освен това тя уведомява за появата си с гръмотевици. Що се отнася до кълбовидната мълния, тя, разбира се, далеч не е толкова забележима. За да обърнете внимание на сравнително малка топка, която се движи почти безшумно и свети като 50-ватова крушка, е необходимо, както се казва, да се сблъскате с нея "нос в нос". Освен това трябва да се има предвид, че кълбовидната мълния се наблюдава близо до земната повърхност (на височина от метър до десетки метри), така че лесно може да се скрие зад определени обекти. Да приемем, че кълбовидната мълния действително възниква на мястото на обикновен удар от мълния. Но често ли е възможно да се наблюдава това място в непосредствена близост?
Така че е напълно възможно кълбовидната мълния да не е толкова рядко явление. Работата е там, че наблюдателят може да забележи само тяхогнени топки, които или случайно възникнаха близо до него, или го приближиха; във всеки случай е малко вероятно някой да забележи малка светеща топка на разстояние няколко километра. Разбира се, това е само предположение, хипотеза, която все още не е потвърдена към настоящия момент, както и нямаме причина да я отхвърляме.