Điện tâm đồ của trái tim thủy ngân

21

Cardigram của trái tim thủy ngân

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
Y. E. GEGUZIN

Trong số rất nhiều đặc điểm và đặc tính của trái tim thủy ngân thực sự, chỉ có một trái tim có khả năng đập, thay đổi hình dạng theo định kỳ. Trái tim hay thay đổi không còn biết nữa, không bị gián đoạn, không còn lo lắng; Nó có một lợi thế vô điều kiện và hấp dẫn so với trái tim thật - nó có thể không hoạt động trong thời gian bao lâu tùy thích và sau đó quay trở lại.

Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, trong tủ đựng thuốc thử hóa học, có một trái tim thủy ngân. Thiết kế của nó khá đơn giản: một chiếc cốc sứ có hình lõm, dưới đáy cốc có một cái rễ hình vũng nước dẹt (đường kính ≈ 4 cm). Nó chỉ được bao phủ bởi một lớp dung dịch axit clohydric yếu (5 phần trăm) (≈50 ml), trong đó muối của kali dicromat (K₂Cr₂O₇; ≈60 mg) được hòa tan. Chiếc cốc sứ được đậy bằng một tấm nhựa thủy tinh, một đai ốc được cố định trong đĩa và trong đó có một con vít kết thúc bằng kim dây sắt. Bằng cách xoay vít, dây có thể được hạ xuống cho đến khi tiếp xúc với bề mặt thủy ngân và trái tim thủy ngân bắt đầu hoạt động, nghĩa là đập nhịp nhàng.*)

Để một trái tim như vậy hoạt động đáng tin cậy, dây phải chạm bề mặt của nó vào các giọt vũng nước ở giữa hoặc tại một trong các điểm trên đường viền.

Nhịp đập của trái tim thủy ngân ấn tượng hơn: trên bề mặt sạch sẽ của giọt nước, những điểm sáng óng ánh có hình dạng kỳ lạ xuất hiện và đường viền của giọt nước thu được một chuỗi thay đổi nhanh chóng, được lặp lại trong mỗi chu kỳ xung tiếp theo. Trái tim hoạt động mà không cần cài đặt: chúng tôi để nó trong một, hai giờ và có lần chúng tôi để nó qua đêm - và vào buổi sáng, chúng tôi thấy nó đang đập.

Bây giờ về cơ chế đập của tim thủy ngân - tia thủy ngân, liên tục rung chuyển khi tiếp xúc với dây sắt.

Đầu tiên, về hai hiệu ứng mà bạn cần làm quen để hiểu nguyên nhân của sự co giãn định kỳ của giọt thủy ngân.

Tác dụng đầu tiên là làm giảm sức căng bề mặt của kim loại nếu có điện tích trên bề mặt của nó. Cách dễ nhất để hiểu điều này là sử dụng ví dụ về một giọt kim loại lỏng hình cầu tự do, ví dụ như một giọt thủy ngân. Gọi bán kính của giọt nước là R. Nếu nó không tích điện, chất nằm trong thể tích của nó sẽ chịu áp suất hớt p_czh=2σ/R. Nó liên quan đến độ cong bề mặt (R) và sức căng bề mặt (σ). Bây giờ chúng ta giả sử rằng một điện tích có độ lớn q phân bố trên các bề mặt của giọt nước. Rõ ràng là các hạt mang điện sẽ đẩy nhau một lực, độ lớn của lực này (theo định luật Coulomb) tỉ lệ với bình phương điện tích. Điều này có nghĩa là với thể tích không đổi của một giọt hình cầu (và do đó, có bán kính không đổi), sự hiện diện của điện tích trên bề mặt của nó sẽ dẫn đến giảm áp suất lướt. Tình huống này có thể được trình bày do hậu quả của việc giảm sức căng bề mặt theo các giá trị Δσ~q².

Chúng tôi đã không cố gắng đảm bảo tính toán được chính xác; Tất cả những gì quan trọng là cơ sở để khẳng định rằng độ lớn của sự giảm sức căng bề mặt không phụ thuộc vào dấu của điện tích nằm trên bề mặt. Sự đảm bảo cho điều này là sự phụ thuộc bình phương của Δσ vào giá trị điện tích q.

Chúng ta cần biết tất cả những điều này, làm thế nào thủy ngân trong dung dịch axit clohydric nhận được điện tích, và do đó hiểu được sức căng bề mặt ở ranh giới dung dịch thủy ngân. (Chúng tôi sẽ không giao nhau chi tiết -

22

Điều này là do các quá trình ở ranh giới này vì chúng khá phức tạp.)

Hiệu ứng được mô tả về ảnh hưởng của điện tích lên một bề mặt đến giá trị sức căng bề mặt, được gọi là “hiệu ứng mao dẫn điện”, đã được phát hiện và nghiên cứu bởi nhà vật lý người Pháp Gabriel Lippmann (1845–1921) và tìm thấy nhiều ứng dụng thực tế.

Tác động thứ hai là thời điểm kim kim loại tiếp xúc với bề mặt thủy ngân, lượng điện tích có trên thủy ngân thay đổi, do đó sức căng bề mặt hiệu dụng cũng thay đổi. Với sự trợ giúp của một thí nghiệm đơn giản, có thể dễ dàng xác minh rằng tại thời điểm tiếp xúc, độ lớn điện tích trên thủy ngân giảm, đồng thời sự giảm năng lượng bề mặt xảy ra khi thủy ngân chứa đầy dung dịch axit clohydric cũng giảm. Hai phủ định liên tiếp tương đương với một phát biểu: việc giảm bớt sự hạ thấp được làm quen bằng cách tăng lên. Khi kim sắt chạm vào bề mặt thủy ngân, sức căng bề mặt của nó tăng lên một chút. Hậu quả của sự gia tăng này sẽ là một vũng nước rơi xuống, ở đáy cốc đã bị xẹp xuống dưới sức nặng của chính nó, và hình dạng của nó gần giống một phần hình cầu. Điều này không xảy ra nếu một kim kim loại được nhúng vào tâm của một giọt nước trong thân nó: vũng nước rơi sẽ rung chuyển và đường kính ngang của nó sẽ thay đổi.

Bây giờ bạn có thể hiểu cơ chế xung. Hãy bắt đầu với trường hợp kim sắt chạm vào thủy ngân tại một điểm trên đường viền của vũng nước (hình 1). Tại thời điểm kim tiếp xúc với bề mặt thủy ngân - tiếp xúc chứ không phải xuyên thấu! - sức căng bề mặt tăng nhẹ, vũng thủy ngân sẽ giảm đường kính và sự tiếp xúc giữa nó và kim sẽ bị gián đoạn. Sau đó, sức căng bề mặt sẽ trở về giá trị trước khi kim tiếp xúc với giọt nước, tức là nó sẽ giảm xuống và bán kính thủy ngân của vũng nước sẽ tăng lên. Điều này có nghĩa là vũng nước sẽ tiếp xúc với kim và mọi thứ sẽ bắt đầu lại: vũng co lại - mất tiếp xúc, vũng giãn nở - phục hồi tiếp xúc, v.v.

Một cơ chế thú vị cho sự xuất hiện của xung là trường hợp kim chạm vào bề mặt thủy ngân không phải trên đường viền của thủy ngân mà ở trung tâm của nó, ở trên cùng (hình 2). Có vẻ như sự gia tăng sức căng bề mặt phải đi kèm với việc phần mão được nâng lên và hình thành sự tiếp xúc không gây xáo trộn với kim. Tuy nhiên, trên thực tế, điều gì đó khác lại xảy ra. Phần trên của vũng nước hơi bò lên kim và sau đó chịu tác dụng của trọng lực từ nó. Xung lực đầu tiên này làm phát sinh những rung động, giọt nước lắc lư, trái tim bắt đầu đập.

Một chi tiết thú vị: khi di chuyển kim từ đường viền của vũng nước đến đỉnh của nó, tần số xung sẽ tăng lên.

23

đang được xác định. Điều này hoàn toàn giống với việc tăng tần số rung của dây đàn guitar nếu bạn dùng ngón tay ấn nó vào bảng điều khiển ở giữa các điểm neo.

Cần phải nhấn mạnh rằng trái tim gốc không hề là một cỗ máy chuyển động vĩnh viễn. Trong quá trình hoạt động, năng lượng được tiêu thụ, giải phóng trong quá trình tương tác hóa học giữa rue, sắt, axit clohydric và canxi dicromat. Trong phản ứng này, các thành phần ban đầu phân kỳ và nó sẽ dừng lại khi một chiếc kim sắt bị “ăn”. Bạn có thể dễ dàng xác minh tính “không vĩnh cửu” của vết lõm bằng cách lấy một sợi dây mỏng hơn. Chẳng bao lâu nữa, sự tiếp xúc giữa giọt nước và dây sẽ không còn được tái tạo nữa, vì đầu dây sẽ bị “ăn”. Để trái tim bắt đầu hoạt động trở lại, bạn cần di chuyển sợi dây đến gần chùm tia hơn: rõ ràng không phải là một cỗ máy chuyển động vĩnh viễn!

Chúng tôi quyết định chụp điện tâm đồ của trái tim địa phương. Bạn không thể trích xuất nhiều thông tin từ nó, ngoại trừ việc xác định số lượng xung mỗi giây (và bạn có thể chỉ cần đếm chúng bằng cách quan sát một vũng nước, hoặc để chắc chắn hơn, hãy sử dụng karammic của một bộ phim). Thực tế là trái tim khỏe mạnh có thể được nhìn thấy rõ ràng bằng mắt: nó đập nhịp nhàng, không bị gián đoạn và rõ ràng là không bị mệt mỏi (tần số đập của trái tim trong phòng thí nghiệm của chúng tôi là khoảng 120 nhịp mỗi phút). Tuy nhiên, thật thú vị khi chụp điện tâm đồ.

Ban đầu, họ quyết định sử dụng trái tim đang đập làm bộ chuyển đổi mạch điện, ghi lại những khoảnh khắc bật tắt bằng thiết bị tự ghi. Tuy nhiên, ý tưởng này đã bị loại bỏ vì bất kỳ dòng điện nào được đưa vào tâm rãnh chắc chắn sẽ làm biến dạng nhịp đập của nó. Họ đã hành động khác nhau. Một chùm ánh sáng mỏng được chiếu vào bề mặt gương của vũng nước đang dao động và chùm tia lao tới phản xạ từ nó sẽ gửi tín hiệu đến Samos để ghi lại điện tâm đồ (hình 3). Điện tâm đồ cho thấy một chuỗi các mức cao và mức thấp giao nhau - rõ ràng, nghiêm ngặt, định kỳ, không bị gián đoạn, là niềm ghen tị của bất kỳ trái tim con người nào.

Hình 3. Điện tâm đồ của trái tim.

Hình 2. Nhịp đập của rue heart khi dây kim loại chạm vào độ cao của rue drop-puddle.