Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Если объемная скорость потока станет еще больше, быстро двигающаяся вода способна противостоять поверхностному натяжению. Струйка может проскочить изгиб, переместив его вниз. Или могут образоваться новые, текущие по диагонали струйки, так что изгиба вообще не будет, поскольку вода потечет по новому маршруту. Оставшаяся часть струйки затем спокойно стекает вниз по наклонной плоскости.

Если коротенькие волоски из электрической бритвы вытряхнуть в воду (обычно так и происходит, если бреются в ванной), они, достигнув воды, разбегутся в разные стороны. Почему так происходит?

Лодка, двигающаяся с помощью камфары, — старая, сейчас почти забытая игрушка. Из алюминиевой фольги сделайте лодочку с клинообразным углублением на корме. Осторожно поставьте ее на воду, а небольшой комочек камфары поместите в углубление, так чтобы он чуть-чуть был погружен под воду. Лодочка немедленно начнет двигаться вперед. Что приводит ее в движение?

Если в тазик налить немного воды и выжать туда немного бытового клея, столбик клея, попав в воду, начнет покачиваться и вертеться. С чем это связано?

ОТВЕТ •На волосах обычно имеется очень тонкий слой жира. Когда обрезки волос падают в воду, они не смачиваются водой, и поэтому при приближении одного волоска к другому возникает сила, отталкивающая их друг от друга.

Камфара, приводящая в движение игрушечную лодочку, уменьшает поверхностное натяжение воды за кормой за счет того, что молекулы камфары замещают некоторые молекулы воды. Поверхностное натяжение воды перед носом лодочки не меняется. И нос, и корма лодочки притягиваются примыкающей к ним водой, но на носу это притяжение сильнее, поэтому лодочка движется вперед. Когда лодочка плывет, камфара постепенно уходит в воздух, переходя в газообразное состояние, или распространяется по объему воды. Поэтому вся поверхность воды камфарой не покрывается, что привело бы к остановке лодочки.

Попавшие в воду кусочки клея очень похожи на камфару: они двигаются из-за того, что изменяют поверхностное натяжение воды вокруг себя.

Почему масляные пятна на дорогах обычно напоминают овалы с длинной осью вдоль направления движения? Часто встречаются и пятна в форме колец.

ОТВЕТ •Когда капля масла отрывается от движущегося автомобиля, сначала она несется по воздуху со скоростью автомобиля. Если скорость автомобиля превышает некоторое критическое значение, капля раздувается и становится похожей на готовый оторваться от круглого пластмассового колечка мыльный пузырь. Надутая часть пузыря быстро рвется, а ободок разлетается в виде капелек, которые, ударившись о дорогу, образуют овальное кольцо. Отдельные капельки различимы, если взглянуть на пятно сразу после того, как оно образовалось.

По той же причине ограничен размер дождевых капель. Если падающая капля становится слишком большой, воздушный поток раздувает ее, превращая в пузырь, а затем этот пузырь лопается.

Почему, когда капля воды падает на тонкий слой глицерина, постепенно образуется фигура, напоминающая цветок?

ОТВЕТ •Этот цветок лучше заметен, если в воду добавить пищевой краситель. Падающая на глицерин капля воды разбрызгивается. Сначала в месте ее удара о воду в центре образуется небольшая выпуклость, а затем по периметру поднимается напоминающий чайную чашку ободок. Из-за неустойчивости сам ободок уже может быть не однородным, а с выступами. Разлетевшись от места падения капли, вода смешивается с глицерином и начинает двигаться вдоль поверхности раздела с воздухом. Движение обусловлено разным поверхностным натяжением на поверхности. Так как поверхностное натяжение воды больше, чем глицерина, смесь воды с глицерином оттягивает в радиальном направлении обратно к воде. Поскольку глицерин снизу тормозит нижние слои этой жидкой смеси, радиальное движение приводит к образованию циркуляционных ячеек в слое «вода — глицерин». По периметру области, где произошел всплеск, случайные изменения формы границы, отделяющей воду от глицерина, усиливаются благодаря различию поверхностных натяжений. Примерно через 15 секунд образуется фигура, напоминающая цветок.

В мелкую миску нальем немного воды и сверху насыплем небольшое количество талька (детской присыпки). Слегка подуем, чтобы распределить тальк равномерно (поверхность воды должна выглядеть пыльной: частички талька очень маленькие и по отдельности незаметны). Выпрямим канцелярскую скрепку и ее кончиком сначала дотронемся до оливкового масла, а затем очень быстро где-то посередине покрытой тальком поверхности воды.

Если талька совсем мало и расстояние между его частичками велико, масло просто разгонит тальк и образуется практически круглое, свободное от талька пятнышко. Если талька много, масло не сможет растолкать его частички и останется каплей на поверхности воды. Однако если талька и не слишком много, и не слишком мало, образуются лучики, исходящие из точки, где скрепка коснулась воды. Почему так происходит?

ОТВЕТ •Масло стремится растечься по поверхности тонким слоем, возможно, даже монослоем толщиной в одну молекулу (когда-то на этом основании были получены данные о размере молекул). Если на пути масла талька мало, оно легко расталкивает его частички. Если талька слишком много, его частички образуют затор и не могут двигаться, и тогда масло остается на месте в виде капельки. Однако в промежуточной ситуации талька не так много, чтобы образовался затор, но достаточно, чтобы благодаря взаимодействию его частичек среда стала очень вязкой. В этом случае менее вязкое масло стремится проложить себе путь через более вязкую смесь талька с водой.

Граница между жидкостями с разной вязкостью нестабильна относительно случайных возмущений, приводящих к появлению волн вдоль этой границы. Каждая из таких волн — чередующиеся небольшие области внедрения масла в смесь талька с водой и талька с водой в масло. Одна из этих волн является доминирующей, и соответствующие ей внедрения быстро нарастают, образуя узкие лучи. Когда эти лучи удлиняются, они очищают поверхность от талька, оставляя в покрытой тальком воде видимые чистые следы.

Подобные лучеобразные нестабильности часто изучают в ячейке Хеле-Шоу (названа по имени английского изобретателя Генри Хеле-Шоу). Это две пластины из прозрачной пластмассы, отделенные друг от друга тонкой резиновой прокладкой. Ячейку заполняют жидкостью. Вторая жидкость вводится шприцем в центр ячейки через маленькую дырочку в одной из пластин. Видно, что вторая жидкость растекается по первой наподобие лучей. Некоторые из них напоминают папоротники или лепестки цветов.