Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

ОТВЕТ •Плоский слой грязи начинает высыхать с поверхности. При этом верхний слой грязи сжимается и в нем возникают механические напряжения. Выделим на поверхности высыхающей грязи какую-то область. Ей бы надо сжаться, но ее растягивает окружающая грязь. Однако низ высыхающего слоя грязи удерживается на месте находящейся под ним почвой. В случайных точках на поверхности грязи напряжения становятся настолько большими, что поверхность растрескивается, уменьшая тем самым напряжения. Такие трещины затем растут и в длину по горизонтали, и вертикально вниз. Там, где развивающаяся трещина подходит к уже существующей трещине, поверхностные напряжения ее разворачивают так, чтобы трещины пересеклись под прямым углом (рис. 4.9a), поскольку максимальные напряжения, раскрывающие трещину, направлены параллельно уже существующей трещине. После завершения начальной стадии формирования трещин развивается вторичная система трещин на грязи. Эти трещины начинаются как прямые линии, но затем, углубляясь, они начинают ветвиться (расщепляться), как показано на рис. 4.9б. В зависимости от скорости, с которой высыхает грязь, пересечение вторичных трещин с трещинами, образовавшимися на первой стадии, приводит к делению высыхающей поверхности грязи на многоугольники.

Рис. 4.9 / Задача 4.68.a) Развивающаяся трещина пересекается под прямым углом с уже существующей трещиной. б) Развивающаяся трещина разветвляется и завершает образование многоугольника.

Если верхний тонкий слой многоугольника из грязи высыхает быстро, он сжимается. Сжатие может привести к заворачиванию краев этого слоя вверх, так что сам он становится вогнутым. Когда края слоя поднялись, слой начинает сохнуть снизу. В результате он может вообще скрутиться в трубку. В редких случаях верхняя поверхность грязевых многоугольников сохнет медленнее, чем нижняя, соприкасающаяся с грязью. Такое возможно, например, когда вода из грязи быстро стекает по склону. Тогда края многоугольника могут завернуться вниз .

Похоже, гигантские многоугольники образуются по тем же причинам, что и небольшие грязевые многоугольники.

Трещины и многоугольники на грязи — примеры растрескивания, вызванного усыханием (высушиванием). Можно привести много других примеров, например усыхание краски, смеси кукурузного крахмала с водой или смеси кофе с водой. Если провести эксперименты со смесью воды с крахмалом или кофе, обнаружится, что характерный размер многоугольника зависит от толщины слоя. Чем тоньше слой, тем меньше многоугольник. Если же слой становится совсем тонким, вместо многоугольников образуются мелкие, расположенные хаотично трещинки. Можно изменить «узор» из трещин, смазав жиром дно контейнера с высыхающей смесью, что уменьшит трение между смесью и контейнером. А чем меньше трение, тем меньше возникающие напряжения и тем меньше образуется трещин.

Бывает, что в самолете вам приносят продукты, у которых повреждена упаковка. Например, маленькая порционная упаковка сливок для кофе может оказаться вскрытой вдоль края крышечки. Если сливки закрыты, обратите внимание, что крышечка упаковки выпячена. Когда самолет начинает садиться, вздутие постепенно исчезает. По какой причине упаковка сливок открывается или выпячивается во время полета?

По той же причине неопытный путешественник может попасть в трагикомическую ситуацию, если во время утомительного полета встряхнет закрытую баночку с соком, а затем быстро, повернув отверстием к себе, откроет ее. Вполне вероятно, что сок выплеснется и окатит его с головы до ног. Бывалый путешественник знает, что открывать баночку надо медленно, отвернув отверстие от себя.

Почему иногда при наборе высоты болят уши? Почему при посадке самолета иногда кажется, что уши заложило?

ОТВЕТ •Давление в салоне самолета поддерживается, но все же оно меньше давления на земле. Поэтому, когда самолет взлетает, воздух или другой газ внутри мягких порционных упаковок со сливками, соком или заправкой для салата должен увеличить свой объем. Иногда это приводит к тому, что упаковка вскрывается. Если упаковка сока или заправки для салата не нарушена, когда баночку встряхивают, ее содержимое покрывает крышечку изнутри. Если после этого быстро сорвать крышечку, газ внутри упаковки, расширяясь, вырвется из отверстия вместе со всем содержимым.

Неприятные ощущения в ушах во время полета связаны с давлением воздуха в среднем ухе. Среднее ухо — полость за барабанной перепонкой. Обычно давление в среднем ухе совпадает с давлением окружающей среды. Равенство давлений достигается благодаря евстахиевой трубе — каналу, соединяющему полость среднего уха с глоткой. Однако если при взлете самолета, когда внешнее давление на барабанную перепонку снижается из-за понижения давления воздуха в салоне, евстахиева труба не открывается, внутреннее давление остается таким же, как на земле. Из-за разности давлений барабанная перепонка выгибается наружу. Зевая или глотая, боли в ушах можно избежать, поскольку тем самым вы открываете евстахиеву трубу и давление в среднем ухе падает.

Когда самолет снижается, давление в салоне увеличивается и постепенно становится равным давлению на уровне земли. Теперь разность давлений вдавливает барабанную перепонку. С этим справиться не так просто: пониженное давление в среднем ухе держит евстахиеву трубу закрытой. Но все же, если еще более энергично зевать и глотать, евстахиева труба может открыться, что позволит давлению в среднем ухе возрасти и сравняться с давлением на земле.

Пониженное давление в самолете может стать причиной и других неприятностей. Так как обычно в багажном отделении давление не поддерживается, упакованные в чемодан бутылки и даже кажущиеся прочными жестяные банки могут самопроизвольно откупориться.

Почему, когда вы начинаете надувать круглый резиновый воздушный шар, процесс идет трудно сначала, но потом, когда шар уже частично надут, становится гораздо легче? Почему, когда вы надуваете продолговатый воздушный шар, он начинает раздуваться в каком-то определенном месте, а не по всей длине? Почему, если продолжать надувать такой шар, вздутие будет перемещаться вдоль «колбасы»?

Предположим, что два мыльных пузыря разного радиуса соединены трубочкой, у которой есть закрытый клапан (рис. 4.10a). Что произойдет, если открыть клапан и позволить воздуху перетекать из одного шарика в другой? Что случится, если мыльные пузыри заменить воздушными шарами и открыть клапан?