Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Рис. 2.8 / Задача 2.22.Воздушный поток, проходящий через два входа норы луговой собачки.

Этот надежный способ снабжения подземного жилища свежим воздухом с высоким содержанием кислорода позволяет зверькам не задохнуться.

Муравьи и грибы в гигантских муравейниках выделяют большое количество тепла, за счет чего воздух в муравейнике нагревается. Нагретый воздух стремится покинуть муравейник. Но муравейник слишком большой и сложный, поэтому так продуть его не получится. Как и лабиринт луговых собачек, муравейник вентилируется воздушным потоком, проходящим через отверстия на его поверхности.

Почему, когда вода вытекает из ванной, она закручивается возле сливного отверстия, образуя вихрь? Каково направление такого вращения, по или против часовой стрелки? Если направление вращения зависит от того, в каком полушарии находится ванна, куда будет вращаться вода, если поместить ванну вблизи экватора? Стекает ли вода в воронку преимущественно сверху, как будто вихрь — водосточная труба, по которой сверху стекает вода? Что определяет глубину вихря? Это небольшое углубление на поверхности воды, заполненное воздухом, или столб воздуха, уходящий вниз в водосточную трубу? Почему иногда направление вращения неожиданно меняется на обратное в последние несколько минут до полного вытекания воды? Почему некоторые вихри в ванных издают звуки?

ОТВЕТ •Легенда о том, что в разных полушариях вода, вытекающая из ванной, закручивается в разных направлениях, основывается на общих представлениях о крупномасштабных круговых движениях атмосферы, например ураганах. Когда воздух перемещается над большим пространством, вращение Земли приводит к заметному отклонению воздушного потока в результате эффекта Кориолиса . В Северном полушарии подобные отклонения приводят к вращению воздуха против часовой стрелки, а в Южном полушарии вращение происходит по часовой стрелке.

Ванна и вытекающая из нее вода — система слишком маленького размера, где движение воды определяется другими силами, существенно превышающими силу Кориолиса. Направление вращения при вытекании задается главным образом тем, как вращалась вода, когда наполняли ванну или когда кто-то взбаламутил ее. Если при наполнении ванны преобладало, скажем, вращение по часовой стрелке, оно может ощущаться еще целый час или даже дольше. Если вода выливается, все еще вращаясь по часовой стрелке, вихрь над водостоком будет закручиваться тоже по часовой стрелке. Другие факторы, определяющие направление потока, — это несимметричная форма ванны или несимметричное расположение сливного отверстия, возмущение, связанное с выдергиванием пробки, разная температура воды на бортиках ванны (скажем, один бортик ближе к входу в ванную, а другой ближе к стене).

Эффект Кориолиса удалось продемонстрировать в специальной ванне при соблюдении целого ряда предосторожностей. Ванна была круглой, сток располагался строго по центру, воде дали достаточно времени, чтобы она успокоилась, а ее температура установилась, ванну амортизировали, чтобы не допустить передачи вибраций от перемещения находящихся в комнате людей, а пробку вытаскивали очень аккуратно. Теперь вращение воды определялось силой Кориолиса, а поскольку ванна была установлена в Бостоне, вода вращалась против часовой стрелки.

Б о льшая часть стекающей в водосток воды движется по направлению к нему по дну ванны. Когда вода достигает сливного отверстия, часть ее тут же срывается вниз, но б о льшая часть продолжает вращаться по спирали, пока ее не затянет в слив. Вода, двигающаяся вниз по самому центру водостока, поступает из верхних слоев, то есть из небольшого углубления над сливным отверстием. Если завихрение сильное, основание углубления узкое и неустойчивое, из него вырываются пузырьки воздуха.

Протяженность вихря (высота столба воздуха) частично определяется диаметром сливного отверстия. Если оно широкое, обычно на поверхности воды образуется только углубление, а при узком стоке — узкий мощный вихрь, где столб воздуха уходит вглубь стока. При промежуточных размерах стока может образоваться вихрь, который сначала углубляется, а затем отступает вверх.

До конца не понятно, почему меняется направление вращения, когда уже почти вся вода вытекла из ванны. Одно из возможных объяснений следующее: когда слой воды становится очень тонким, трение о дно ванны неожиданно начинает препятствовать поступлению воды в вихрь.

Вихрь в ванне может издавать звуки, если он достаточно мощный, чтобы увлечь за собой пузырьки воздуха. Когда такие пузырьки колеблются или лопаются, то издают звуки. Поверхность воды тоже может колебаться, вызывая колебания давления воздуха в диапазоне звуковых волн.

Осторожно помешайте ложечкой в чашке черного кофе, а затем вытащите ложку. Если кофе в чашке вращается, медленно и осторожно влейте в центр чашки холодное молоко или сливки. Почему в центре чашки появляется небольшая воронка? Почему такого не происходит, если молоко теплое или горячее?

ОТВЕТ •После того как вы размешали кофе, кроме основного, заметного вращения там, возможно, осталось много небольших завихрений. Поскольку плотность холодного молока больше, его струйка опускается вниз вдоль центральной оси. Поток молока, захватывая вихри, подтягивает их к центру и удлиняет. Слияние достаточно длинных вихрей увеличивает скорость вращения кофе в центре, и на его поверхности вблизи центра образуется углубление. То же происходит и с любой другой вращающейся жидкостью, но в этом примере вогнутость заметна больше.

Если вы размешаете ложечкой чай в чашке с чаинками на дне (а затем уберете ложку), вы заметите, что чаинки собираются в центре дна чашки. Почему так происходит и почему перед тем, как собраться в центре, чаинки образуют вблизи центра фигуру, напоминающую круг, а затем двигаются внутрь этого круга?

Если размешать мартини с оливкой, она будет не только крутиться вместе с жидкостью вокруг центра бокала, но и вращаться вокруг своей оси. Почему, как правило, направление кручения противоположно направлению вращения вокруг оси?

ОТВЕТ •Как объяснил Альберт Эйнштейн, чаинки воспроизводят схему движения чая в чашке. Поскольку размешивание вызывает вращение чая вокруг центральной вертикальной оси, вода стремится двигаться по раскручивающейся спирали. То есть каждый небольшой объемчик воды движется так, как на плоской вращающейся карусели.