Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Почему две лодки, плывущие рядом вверх по течению, стремятся сблизиться?

ОТВЕТ •Когда вода течет через ограниченное пространство между лодками, ее скорость увеличивается. Единственный способ получить энергию, необходимую для увеличения скорости, — отобрать ее у запасенной внутренней энергии. Внутренняя энергия зависит от давления, и поэтому давление воды между лодками уменьшается. Это уменьшение подчиняется уравнению Бернулли. С внешних сторон обеих лодок давление остается прежним, поэтому уменьшение давления между ними приводит к их сближению. Эффект увеличивается, если лодки плывут с той же скоростью относительно берега, но против течения, потому что их скорость относительно воды оказывается больше.

Сильный порыв ветра раскачивает тросы и провода линии электропередачи, толкая их в направлении ветра. Почему же некоторые тросы и линии электропередачи пляшут на ветру, иначе говоря, колеблются в направлении, перпендикулярном их длине и направлению ветра? Иногда такие колебания могут вызвать короткое замыкание, привести к обрыву проводов или разрушить опоры линии электропередачи. Обрыв проводов и разрушение опор случаются чаще, когда на провода налипает снег.

Колебания тросов стали причиной неприятностей после открытия в 1995 году вантового моста Нормандии — одного из самых длинных (2350 м) подвесных мостов в мире. Хотя пляска тросов не привела к разрушению моста, с ней было связано быстрое старение тросов, что привело к их незапланированной преждевременной замене.

В чем причина пляски тросов и проводов?

ОТВЕТ •Когда над тросом проносится ветер, с подветренной стороны воздушный поток разбивается на вихри. Если трос подвешен горизонтально, вихри срываются с троса попеременно то сверху, то снизу. В местах, где образовались вихри, давление уменьшается. Следовательно, давление сверху и снизу троса периодически меняется. Образование вихрей и периодические изменения распределения давления происходят с определенной частотой, зависящей от скорости ветра и диаметра троса. Если эта частота совпадает с собственной ( резонансной ) частотой колебаний троса, трос начинает раскачиваться, как говорят, входит в резонанс . Это и есть пляски проводов. Провода различной длины колеблются с разными частотами, но порывы ветра могут привести к колебаниям нескольких линий с разными резонансными частотами.

Чтобы спасти мост Нормандии от разрушения, строившие его инженеры наняли скалолазов, которые подтянули тросы и связали их веревками. Поскольку соседние тросы были разной длины, их резонансные частоты не совпадали. Связав в определенных точках тросы с разными резонансными частотами, удалось остановить пляску тросов. Связанные тросы гасили колебания друг друга.

Чтобы прокатиться на скимборде, бросьте на пляже округлую доску на кромку воды, так, чтобы она начала скользить, и вспрыгните на доску. Если все сделать правильно, можно продвинуться по воде на целых 10 м. Почему доска не останавливается сразу под действием веса скимбордера?

ОТВЕТ •В отличие от машины, тормозящей на мокрой дороге, в этом случае вода не играет роль смазки. Здесь при движении по воде скимбордер использует относительное движение воды.

Чтобы прокатиться на скимборде, на нем надо стоять так, чтобы передний конец доски был задран вверх. Тогда при достаточной скорости движения, давление воды снизу обеспечивает поддержку доски, позволяя ей оставаться над песком на дне. Однако сделать это не так просто. Если передний край доски задран слишком высоко, лишь малая часть дна доски будет погружена в воду и силы, действующей на доску со стороны воды, не хватит, чтобы удержать доску на плаву. А если ее передняя часть поднята меньше, чем нужно, то площадь контакта достаточна, но нет роста давления под доской и в итоге доска не удержится на плаву. И конечно, катание тут же закончится, если передний край доски опустится в воду.

Сила сопротивления воздуха, действующая на скимбордера, может его затормозить, однако он может продлить катание, если согнется и уменьшит площадь поверхности тела, обдуваемой воздухом.

Представьте, что в вашем автомобиле, окна которого закрыты, парит наполненный гелием шар. Почему при резком повороте положение шара относительно потолка меняется? Куда шар сдвинется: в направлении поворота или в противоположном направлении? Если машина поворачивает в холодную погоду, но с включенным обогревателем, почему меняется распределение теплого воздуха в кабине? В какую сторону перемещается теплый воздух?

ОТВЕТ •Если автомобиль делает резкий левый поворот, вас как будто отбрасывает в направлении, противоположном повороту, то есть вправо. Дело в том, что верхняя часть вашего туловища стремится продолжить движение в прежнем направлении, тогда как на нижнюю его часть со стороны сиденья действует сила трения, при повороте тянущая вас влево. Поэтому вы отклоняетесь в сторону, противоположную направлению поворота. Воздух внутри машины тоже стремится продолжить движение в прежнем направлении, но правая стенка машины заставляет воздух поворачиваться, что приводит к увеличению плотности воздуха внутри машины справа. Гелий легче воздуха, поэтому шар сдвигается в ту сторону, где плотность воздуха меньше. Следовательно, он отлетает влево, в сторону, противоположную отклонению вашего тела. Шар, наполненный газом тяжелее воздуха, например аргоном или углекислым газом, будет, естественно, вести себя противоположным образом.

Теплый воздух менее плотный, чем холодный, и при повороте влево он смещается влево. Если вентилятор не направляет воздух прямо в лицо водителю, во время поворота он может почувствовать на своем лице дуновение теплого ветерка.

Каким образом скрытая водой песчаная отмель вблизи берега может отражать набегающие океанские волны? Почему при определенном расположении отмелей (или искусственных препятствий под водой) океанские волны отражаются очень сильно?

ОТВЕТ •Океанскую волну мы видим распространяющейся вдоль поверхности воды, но движение продолжается и под ее поверхностью. Маленькие объемы воды совершают движение по вертикально ориентированным овальным орбитам, плоскость которых параллельна направлению движения волны. Отмель, расположенная не слишком далеко от поверхности, может заблокировать такое орбитальное движение. Большинство волн пройдет над отмелью, но какая-то их часть отразится и уйдет обратно в океан.