Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Еще недавно при сооружении тоннелей под реками и заливами строителям приходилось работать в условиях высокого давления. Когда заканчивалась смена и они возвращались на поверхность, им приходилось проходить процедуру декомпрессии, во многом сходную с той, которую проходят глубоководные водолазы. Дело в том, что, когда человек вдыхает воздух под давлением, молекулы азота из воздуха попадают в кровь. При выходе из той части тоннеля, где давление высокое, туда, где давление меньше, азот получает возможность образовывать пузырьки. Эти пузырьки собираются в сгустки, когда двигаются с кровотоком по большим венам (к сердцу). Двигаясь от сердца, они попадают в небольшие кровеносные сосуды и блокируют их. Эти пузырьки могут стать причиной сильных болей, длительной болезни или даже смерти.

В наши дни тоннели прокладывают с помощью управляемых на расстоянии бурильных установок, и рабочим приходится гораздо реже спускаться в участки тоннеля с высоким давлением. А в некоторых случаях тоннели вообще не бурят, а собирают из готовых секций, которые опускают на дно реки и подгоняют друг к другу.

Одна маленькая девочка решила допить из бутылки шоколадный напиток. Она засунула в бутылку язык, а потом сделала глубокий вдох. Девочка надеялась, что жидкость потечет ей в рот. Но из-за того, что воздуха в бутылке стало меньше, давление в ней уменьшилось и язык застрял. Причин могло быть две: либо при вдохе девочка втянула в себя слишком много воздуха, либо, засовывая туда свернутый трубочкой язык, она вытолкнула какую-то часть воздуха из бутылки. Как бы то ни было, разница давлений воздуха внутри бутылки и снаружи не позволяла девочке вытащить язык. Ничего не смог сделать и медперсонал в отделении скорой помощи, куда обратились родители девочки. Язык удалось вытащить только с помощью профессионального стекольщика — он разрезал стекло.

Почему зимой грозы с громом и молниями менее вероятны, чем летом?

ОТВЕТ •Грозы возникают, когда нижняя часть атмосферы нестабильна, то есть когда за счет выталкивающей силы вверх быстро движутся значительные объемы теплого воздуха (теплый воздух легче холодного). Так происходит, когда температура резко меняется с высотой: теплый воздух вблизи земли выталкивается вверх в область более холодного воздуха.

Однако, если воздух содержит водяной пар, для наступления грозы изменение температуры с высотой может и не быть столь резким. Дело в том, что часть пара в поднимающемся воздухе конденсируется и образуются капли воды. Переход пара в жидкость происходит с выделением большого количества энергии. При этом воздух нагревается, и действующая на данный объем воздуха выталкивающая сила ускоряет его подъем. Это создает предпосылки для развития нестабильности и грозы.

Обычно зимой температура с высотой уменьшается постепенно, а воздух вблизи земли слишком холодный, чтобы содержать большое количество водяного пара. Поэтому маловероятно, что значительные объемы воздуха будут с ускорением двигаться вверх. А это означает, что воздух достаточно стабилен и условий для развития грозы нет. Однако бывало, что я слышал гром во время снежной бури.

При порывистом ветре форма идущей из трубы струи дыма непрерывно хаотически меняется. Но что происходит, если ветер дует с постоянной во времени и одинаковой по высоте скоростью? Не будет ли струя дыма, расширяясь, подниматься вверх под некоторым углом к вертикали? Странно, но так происходит не всегда. Дымовая струя может выглядеть так, как изображено на рис. 4.11a. Чем определяется ее форма? Почему на ветру некоторые наклоненные струи дыма делятся надвое (рис. 4.11б)?

Рис. 4.11 / Задача 4.75.a) Струи дыма из высокой трубы при постоянном ветре, дующем в горизонтальном направлении. б) Вид сверху на разделившуюся струю дыма.

В безветренный день струя дыма, как правило, поднимается и расходится в горизонтальном направлении, напоминая узкую букву V, стоящую прямо. Почему же струи дыма, выходящие из некоторых труб, сначала сужаются, а потом расширяются?

ОТВЕТ •Вырывающийся из труб промышленных предприятий газ и дым [57], который он увлекает с собой, устремляются вверх. Газ будет и дальше подниматься, только если он горячее окружающего воздуха. Разность температур обеспечивает разность плотностей, а она — архимедову силу, ускоряющую движение газа вверх. В других трубах, включая домашние каминные трубы, газ поднимается за счет такого же механизма.

Бывает, что даже если изначально газ горячее воздуха, двигаться вверх он не может, поскольку при подъеме газ остывает. Температура газа понижается из-за уменьшения давления воздуха с высотой. Рассмотрим небольшой объем газа. Чтобы скомпенсировать понижение давления, газ должен расшириться. Расширяясь, газ совершает работу, для чего отбирает энергию у хаотически двигающихся молекул газа. Отдавая энергию, молекулы замедляются, газ остывает. Если температура газа опускается ниже температуры воздуха, архимедова сила становится меньше веса, и газ вынужден опускаться.

Вода, содержащаяся в газе, также влияет на его поведение при подъеме. Если газ остывает ниже температуры конденсации, из водяного пара образуются капли. Переход из пара в жидкость происходит с выделением энергии, что способствует разогреву газа, несмотря на то, что он расширяется. Сходные рассуждения можно привести и для движущегося вниз газа. В этом случае повышающееся давление приводит к сжатию газа и его разогреву. Чтобы газ продолжал опускаться, он должен оставаться холоднее воздуха.

Соотношение температур газа и воздуха определяет, будет газ опускаться или подниматься, но при ветре форма струи, изгибающейся на ветру, зависит от турбулентности (завихрений) воздуха. Если турбулентные вихри мелкие, двигаясь от трубы, струя постепенно расширяется. Если завихрения крупные, струя может образовывать петли. На самом деле это не совсем петли: каждый выделенный объемчик газа двигается почти по прямой линии, а не вверх или вниз. Появление петель связано с тем, что благодаря турбулентности расположенные рядом объемчики газа двигаются вдоль разных прямых линий.

В качестве примера рассмотрим струю в форме конуса . Она образуется, когда при движении вверх температура газа быстро становится ниже температуры воздуха, а при движении вниз — быстро становится выше температуры воздуха. В результате часть газа остается примерно на уровне трубы. Однако умеренная турбулентность непрерывно перемешивает газ по вертикали. Струя дыма стелется, расширяясь наподобие веера, если в данный момент температура воздуха возрастает с высотой. Это называется температурной инверсией . В этом случае слой «захваченного» газа у же, а турбулентность может перемешивать его только по горизонтали. Впрочем, особо горячие порции газа могут прорваться вверх, образуя боковые струи.