Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

В зависимости от обстоятельств обломок скалы может упасть, пролетев какое-то расстояние по воздуху, несколько раз стукнуться о достаточно крутую скалу, скатиться, переворачиваясь, если крутизна не слишком велика, или соскользнуть вниз по отлогому склону. Во всех этих случаях обломок теряет большое количество энергии при столкновении с землей. Он теряет энергию и при столкновении с деревьями, поэтому для защиты от камнепадов часто устраивают лесополосу.

Когда в камнепад вовлечено большое количество разных обломков, они распределяются по размерам вдоль склона горы: большие обломки скатываются к основанию скалы, тогда как меньшие застревают в трещинах, углублениях и так далее. Обычно вблизи вершины остаются мелкие камешки, а большие валуны останавливаются у подножия горы. При некоторых камнепадах оторвавшиеся первыми обломки приземляются невероятно далеко от скалы, гораздо дальше других камней. По-видимому, это связано с тем, что они получают энергию от удара сзади от других катящихся и летящих обломков.

При камнепадах в национальном парке «Йосемити» падение каждого из обломков вызывало взрывную воздушную волну , то есть волну давления, распространяющуюся по воздуху от места удара. Последствия падения второго, в три раза более тяжелого обломка были катастрофическими. Скорость ветра, бушевавшего среди деревьев, достигала 120 м/с. На самом деле взрывная воздушная волна от второго обломка была сверхзвуковой (ударной) волной, поскольку пыль, поднятая первым обломком, уменьшила скорость звука от нормального значения, равного 340 м/с, примерно до 220 м/с. Вблизи места падения воздушная волна распространялась со скоростью, превышающей 220 м/с, следовательно, быстрее звука.

Что заставляет колыхаться флаг на флагштоке даже при умеренном ветре? Почему колышется листок, поднесенный к вентилятору?

Почему, если подбросить в воздух частично размотанный рулон туалетной бумаги, его свободная часть быстро приобретает волнообразный вид?

ОТВЕТ •Пусть плоскость флага составляет некоторый угол с направлением потока воздуха, так что воздух давит на одну из его сторон. Давление воздуха или расправит флаг, ориентируя его по направлению потока воздуха, или изогнет полотнище. Если скорость воздуха превысит некоторое критическое значение, этот изгиб станет нестабильным и флаг начнет развеваться.

Часто полоскание флага на ветру связывают с образованием вихрей. В самом деле, когда ветер просто расправляет флаг или заставляет его трепетать, свободный конец полотнища порождает вихри . Это означает, что образуются вихри, закручивающиеся попеременно вправо и влево и двигающиеся вместе с потоком воздуха (рис. 2.36). Вихри интенсивнее, когда флаг развевается, но они есть следствие, а не причина колыхания флага. Такие вихри формируются даже в том случае, когда мы имеем не флаг, а жесткий лист, который не развевается.

Рис. 2.36 / Задача 2.117.Образование вихрей, закручивающихся попеременно вправо и влево от плоскости флага.

Другие гнущиеся листы, например лист бумаги, тоже можно заставить трепетать при постоянном ветре, если скорость движения воздуха превышает некоторое критическое значение, величина которого зависит от гибкости и материала листа.

Вероятно, любая падающая гибкая лента, утяжеленная с одного из концов, примет волнообразный вид. Волна распространяется вниз по ленте со скоростью, в два раза меньшей скорости падения ленты. Обычно чем длиннее лента, тем больше расстояния между выпуклостями на ленте. Скорее всего, волнообразный вид ленты связан с нестабильностью воздушного потока, вынужденного двигаться вместе с лентой, падающей через неподвижный воздух. Попросту говоря, изгибаются и сама лента, и захваченный ею воздушный поток.

У многих фонтанов есть край, через который вода стекает в бассейн в виде полотнища. Почему у некоторых фонтанов такое водяное полотнище трепещет с частотой несколько колебаний в секунду? Эти колебания порождают и колебания воздуха, но их частота несколько ниже той, при которой можно услышать звук.

Более мощные и более высокие струи формируются тогда, когда бурный поток воды выливается через специальные пропускные каналы в запруде или перетекает через нее и свободно падает в бассейн или ручей. Почему такие струи могут создать настолько громкий звук, что он воспринимается как грохот скоростных поездов?

Стоя около высокого водопада, вы ощущаете колебания почвы. Если проанализировать эти колебания, становится ясно, что частота основных колебаний зависит от высоты, с которой происходит свободное падение воды: чем больше эта высота, тем меньше частота. Почему водопад вызывает колебания почвы и почему их частота связана с высотой падения воды?

ОТВЕТ •Ключ к объяснению причины трепетания воды в фонтане — слой воздуха позади полотнища падающей воды. Когда небольшое случайное возмущение на верху водяного полотнища заставляет его слегка колебаться, в процессе падения воды это колебание может усилиться. Достигнув дна, колебание вызывает изменение давления воздуха в слое позади падающей воды. Сжимаясь и разжимаясь, слой воздуха передает это изменение на верх водяного полотнища: это положительная обратная связь , когда происходит самовозбуждение, усиливающее колебания. Хотя сначала этот процесс достаточно слабый и, возможно, даже незаметный, периодическое усиление и самовозбуждение поддерживают колебания, которые становятся весьма существенными. Однако такой круговой процесс имеет место только при определенной скорости течения, начальной скорости воды и толщине воздушного слоя. Поэтому не все водяные полотнища фонтанов трепещут.

Перетекающий через дамбу поток вызывает похожие колебания столба воды и воздуха между водой и дамбой. Инженеры-гидравлики называют такое движение воды колебаниями переливающейся струи . Часто дамбы строятся со специальными прерывателями струи . Они нарушают спокойное течение струи, чтобы предотвратить осцилляции, создавая более равномерную и плотную завесу из падающей воды.

В водопадах колебания и турбулентность воды при соударении с землей приводят к появлению звуковых волн, распространяющихся в объеме падающей воды. При определенных условиях эти звуковые волны входят в резонанс (то есть усиливают друг друга), и тогда колебания могут стать достаточно сильными. Это напоминает акустический резонанс в открытой с одного конца трубе, заполненной воздухом. Вблизи закрытого конца трубы молекулы воздуха не колеблются, а около открытого конца амплитуда колебаний максимальна. В звуке, издаваемом трубой, обычно преобладает так называемая собственная частота — самая низкая резонансная частота.