Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Постепенно столб воды справа станет существенно выше столба воды слева, так что движение замедлится, остановится и продолжится в обратном направлении. Тем временем вода на дне трубки подогреется. Поскольку теперь движение происходит в обратном направлении, теплая вода будет подниматься по левому колену. Затем цикл повторится.

Налейте глицерин в банку почти до краев, а затем долейте ее дополна более легким и менее вязким силиконовым маслом. Оставьте банку на ночь, чтобы дать этой смеси жидкостей отстояться (чтобы вышли все пузырьки), а затем закройте ее и переверните. Почему на дне банки (теперь дном стала крышка) в практически однородном слое масла образуются капельки, которые затем непрерывным потоком устремляются вверх? Этот эффект используется в некоторых современных игрушках, где капли одной жидкости двигаются не смешиваясь сквозь другую жидкость.

ОТВЕТ •В исходном состоянии (до переворачивания банки) система стабильна: масло плавает поверх глицерина. При обратном расположении жидкостей система нестабильна (это один из случаев так называемой нестабильности Рэлея — Тейлора ), и случайное возмущение, связанное, например, с переворачиванием сосуда, возбуждает волны на поверхности раздела между глицерином и маслом. Точно так же в ванне можно возбудить волны на поверхности воды (поверхности раздела «воздух — вода»). Одна из волн, нарастающая быстрее других, будет управлять всем процессом. Там, где расположены гребни этой волны, масло выталкивается вверх в глицерин и устремляется вверх, а в низких местах волны (долинах) глицерин проникает вниз в масло. Из масла, попавшего в глицерин, образуются движущиеся вверх капельки, а масло, выталкиваемое опустившимся глицерином, поддерживает образование новых капелек. Приблизительно равные расстояния между поднимающимися ручейками капелек дают представление о примерной длине волны — той, которая нарастала быстрее других.

А вот еще один похожий опыт. Оставьте на ночь банку с кукурузным сиропом. Вставьте в банку маленькую трубочку, через которую в банку с сиропом вблизи ее дна можно вливать смесь сиропа с водой. Эта смесь, вытекая из трубочки, образует капли. Поскольку смесь «вода — сироп» легче сиропа, капли устремляются вверх. Поднимаясь, они оставляют за собой след, играющий роль канала для подъема новых капель, выходящих из трубочки.

Чтобы привлечь внимание покупателей, в некоторых универмагах демонстрируют шар, висящий в струе воздуха. В этом нет ничего удивительного, если воздушная струя направлена вертикально вверх: давление воздуха на шар снизу уравновешивает силу тяжести. Однако покупателей больше привлекает устройство, в котором струя воздуха направлена под углом порядка 45° к вертикали. Как при этом удается удерживать шар? Почему, если толкнуть шар, он, частично выскочив из струи, возвращается обратно?

ОТВЕТ •Шар, висящий в струе воздуха, устойчив, поскольку он меняет направление воздушного потока. Если шар дергается вниз, будто пытаясь выскочить из струи, воздух обтекает шар сверху и устремляется вниз сначала вдоль поверхности шара, а затем струя отрывается и под некоторым углом устремляется вниз. Поскольку струя движется вниз, шар направляется вверх, обратно в струю. Неважно, что заставило шар попытаться покинуть струю, он отклоняет струю в том же направлении и, следовательно, вталкивается обратно. Чем легче шар, то есть чем меньше роль гравитации, тем под большим углом может быть наклонена струя.

Шар может висеть и в направленной вертикально вверх струе воды. Хотя шар прыгает и пытается выскочить из струи, он возвращается обратно. Единственное отличие в том, что теперь это струя воды, а не воздуха. Но и такую струю шар отклоняет, что объясняет его устойчивость.

Однажды мне попалась игрушка, состоящая из U-образной трубочки, одно из колен которой было коротким и узким. В узкое колено надо было дуть, и тогда легкий мячик, подхваченный струей воздуха, двигался вдоль всей трубки. Поднявшись, мячик проходил через другой открытый конец буквы U и втягивался обратно благодаря циркуляции воздуха. Цель игры — на одном дыхании как можно больше раз заставить мячик двигаться по всей трубочке туда-сюда.

В 1925 году Атлантический океан пересек корабль, построенный немецким инженером-конструктором Антоном Флеттнером. Движителем корабля был не стандартный гребной винт в воде, а два больших вращающихся в воздухе цилиндра. Как вращающиеся цилиндры могли заставить корабль двигаться по воде?

ОТВЕТ •Если цилиндр неподвижен, воздух обтекает его симметрично с двух сторон. В каком-то месте сзади цилиндра воздушный поток отрывается от него и распадается на вихри. Это обеспечивает некоторое воздействие на цилиндр, поскольку с наветренной стороны давление воздуха больше, чем с подветренной стороны (давление в вихрях ниже).

Однако сила, действующая на вращающийся цилиндр, существенно больше. С той стороны, где направление вращения цилиндра совпадает с направлением ветра, воздушный поток дольше не отрывается от цилиндра, а там, где вращение происходит против ветра, воздух отрывается от цилиндра раньше, чем с противоположной стороны. Суммарный эффект состоит в том, что вращающийся цилиндр отклоняет поток воздуха, направляя его в сторону вращения. Цилиндр (а следовательно, и корабль) получает импульс в противоположном направлении.

Таким образом, корабль может, в принципе, двигаться по воде, если менять направление вращения в соответствии с изменением направления ветра. На практике путешествие через Атлантику должно было оказаться сущим кошмаром: ведь требовалось, двигаясь зигзагообразно, непрерывно согласовывать ориентацию корабля с направлением ветра. Хотя, возможно, гребной винт корабля использовался чаще, чем об этом сообщалось.

Почему, когда корабль входит в определенный фарватер Гибралтарского пролива, он может неожиданно начать вращаться вокруг вертикальной оси или заваливаться набок? Давно известно, насколько вероломны воды Мессинского пролива, отделяющего Сицилию от Италии. У Гомера, назвавшего воды этого пролива свирепыми, олицетворением всепоглощающей морской пучины стали два чудовища — Сцилла и Харибда. С другой стороны этого острова, между Сицилией и Тунисом, находится Сицилийский (или Тунисский) пролив. Иногда во время больших приливов его воды наступают на большой сицилийский рыбачий порт Мадзара-дель-Валло: водяные волны устремляются вверх по старому устью реки. Чем можно объяснить странности течений в этих трех проливах?