Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Если случайно потревожить, но не раскачивать, смесь двух веществ, где частицы одного вещества существенно больше частиц другого, можно заметить, что частицы большего размера постепенно поднимаются. Такое разделение часто можно видеть в упаковках пищевых продуктов, содержащих два (или более) разных ингредиента, частицы которых различаются по средним размерам. Это смущает производителей продуктов, поскольку им хочется, чтобы при вскрытии упаковки покупатель увидел однородную смесь. Однако любое случайное возмущение при изготовлении, перевозке или покупке такой упаковки приведет к тому, что более мелкие частички провалятся вниз, под более крупные частицы.

Если встряхивать смесь «Тан» и «Нести», в действие вступают два механизма, не дающие получить однородную смесь. Один из них аналогичен тому, который мы уже рассмотрели в случае с бразильским орехом и арахисом. Слипшиеся частицы «Тана» становятся «большими частицами», понемногу выбираются наверх и делаются заметны. Вторая возможная причина — циркуляция частиц в объеме, аналогичная циркуляции орешков арахиса в предыдущем примере. Возможно, что первый механизм доминирует, если амплитуда колебаний велика (сильно встряхните контейнер вверх и вниз), а второй — при малой амплитуде колебаний (постучите по контейнеру ногтем так, чтобы порошинки пришли в движение).

Если слой «Тана» распределен по тарелке, совершающей вертикальные колебания, порошинки стремятся собраться в кучки. Постепенно меньшие кучки сдвигаются к б о льшим, с которыми они объединяются. Возможно, такие смещения обусловлены тем, что под большими и маленькими кучками тарелка колеблется по-разному: под большими горками колебания слабее, чем под маленькими. Большие колебания подбрасывают порошинки в воздух. Порошинки, приземлившиеся вблизи больших горок, с большей вероятностью останутся на месте, чем оказавшиеся вблизи маленьких кучек. Таким образом происходит движение порошинок в направлении больших кучек. Альтернативная гипотеза — механизм, аналогичный поверхностной диффузии, то есть миграции.

А вот еще одна, последняя, загадка: заполните достаточно узкий кувшин солью до половины, опустите туда шестигранную гайку и кнопку с пластиковой головкой (для доски объявлений). Если держать кувшин прямо и вертикально встряхивать, гайка останется на поверхности соли, а булавка зароется в нее и скроется из виду. Если же кувшин держать горизонтально и трясти тоже в горизонтальной плоскости, на поверхность соли выйдет булавка, тогда как гайка погрузится в соль.

Для защиты от лавин некоторые лыжники используют лавинный шар . Его упаковывают в рюкзак в сдутом виде. Заметив приближающуюся лавину, лыжник тянет за шнур и освобождает устройство, подающее в шар газообразный азот из баллона. Когда лавина захватывает лыжника, с шаром ему проще выбраться на поверхность движущейся массы снега, и его шансы выжить значительно выше. Почему лыжник двигается к поверхности лавины?

ОТВЕТ •Фактически лыжник с лавинным шаром в потоке снега — это бразильский орех во встряхиваемой банке с арахисом. Газ в шаре менее плотный, чем несущийся с лавиной снег, и, следовательно, присутствует направленная вверх подъемная сила. Но одной лишь этой силы недостаточно, чтобы вынести лыжника на поверхность снега. Он движется вверх еще и потому, что объем лыжника с прикрепленным к нему шаром увеличивается: бразильский орех (лыжник с надутым шаром) гораздо больше окружающих его орешков арахиса (комков снега).

Почему в пустыне или на дне реки образуется песчаная рябь (миниатюрные дюны)? Что в этом случае определяет длину волны, то есть среднее расстояние между отдельными песчаными холмиками? Как растения (например, пучки травы) меняют структуру этих волн? Почему рябь обычно не появляется на снежниках?

ОТВЕТ •Сильный ветер, дующий вдоль изначально плоского (и сухого) пласта песка, передвигает песчинки. Песчинки могут двигаться медленно, ползти по поверхности, а могут перемещаться скачками, подпрыгивая и сталкиваясь в потоке ветра. Если песчинка опускается на плоский песчаный пласт, она подскакивает опять, но если поверхность приподнята (случайно образовался холмик), песчинка может на этом месте застрять (рис. 2.34). Когда холмик подрастает, он собирает все больше песчинок и, кроме того, прикрывает от ветра песчинки с подветренной стороны. Однако песчинки, оказавшиеся чуть дальше от холмика в направлении движения ветра, могут продолжать прыжки до тех пор, пока не застрянут на следующем холмике. Растущий холмик круче с подветренной стороны, а его наветренная сторона более пологая. Пройдя через вершину холмика, воздушный поток разбивается на вихри с его подветренной стороны. Эти вихри направляют воздух вверх, забирают песок с подветренной стороны холмика, делая ее еще круче. Образовавшийся холмик сдвигается в направлении ветра, поскольку песчинки с наветренной стороны могут перескакивать через его вершину. Некоторые холмики двигаются быстрее других, они сливаются или, по крайней мере, сближаются настолько, что влияют друг на друга.

Рис. 2.34 / Задача 2.110.Скачки песчинок приводят к образованию песчаной ряби.

Проходят дни, недели, а может быть и годы, и постепенно образуется рябь, которую мы видим на песке. Раз появившись, песчаные холмики продолжают существовать благодаря ветру и скачкам песчинок. Конечно, если существенно изменятся направление и сила ветра, структура ряби изменится тоже.

Если над песком спокойно течет поток воды, рябь образуется значительно быстрее. В этом случае холмики можно заметить уже через несколько минут.

Поскольку вблизи растений воздушный поток разбивается на вихри (или небольшие смерчи), ориентация и расстояния между холмиками с наветренной и подветренной стороны, например куста, различны.

Снежинки тоже могут передвигаться по снежной поверхности. Однако есть две причины, по которым в этом случае рябь не образуется (или, по крайней мере, обычно не образуется или не столь заметна). 1. Снежинки обычно остаются там, куда они упали, независимо от того, есть там возвышение из снега или нет. 2. На снежном поле часто, особенно после солнечных дней, образуется ледяной наст, исключающий скачки. Однако до того, как образовался наст, сильный ветер может привести к появлению на снегу волновой структуры, особенно там, где с подветренной стороны какого-нибудь препятствия образуются вихри.