Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Однако из-за трения о дно чашки нижний слой чая замедляется и поэтому вращается не столь интенсивно, как слой на поверхности чашки. Поэтому наверху вращение по внешней спирали происходит интенсивнее, чем на дне. Это различие обуславливает появление еще одного циркулирующего, так называемого вторичного потока : жидкость из верхнего слоя, двигаясь по раскручивающейся спирали вокруг центральной оси до стенки чашки, затем спускается вниз по стенке, продолжает движение по закручивающейся внутрь спирали по дну чашки, а затем поднимается вверх по центральной оси (рис. 2.9). Поток на дне чашки увлекает чаинки к центру и оставляет их там.

Рис. 2.9 / Задача 2.25.Вторичный поток в размешанном чае.

Но Эйнштейн не обратил внимания на то, что сначала, сразу после того как вы вынули ложечку, чаинки образуют круг, а уж затем собираются в центре. Чаинки вдали от этого круга втягиваются в него вторичным потоком. Чаинки, находящиеся ближе к центру, двигаются к тому же кругу по раскручивающейся спирали. Когда вращение воды в чашке прекращается, радиус кольца уменьшается и чаинки постепенно сдвигаются к центру, где и остаются.

Если мы хотим размешать чай, поставив чашку на вращающийся стол, например на проигрыватель для пластинок, из-за трения нижнего слоя жидкости о дно чашки размешивание начнется со дна. Во вращение будут постепенно вовлекаться новые, более высокие слои жидкости. Пока верхний слой не принимает участия во вращении, чай на дне раскручивается по внешней спирали, а сверху не вращается. В результате устанавливается вторичный поток. Теперь он направлен вовне на дне, затем вверх по боковой стенке чашки, внутрь сверху, а затем вниз по центральной оси. Этот вторичный поток направлен в противоположную сторону относительно вторичного потока при размешивании чая ложечкой, и теперь чаинки на дне собираются у стенки чашки.

Если размешивать мартини с оливкой, оливка оказывается между быстро двигающимися слоями жидкости вблизи центра бокала и медленными слоями ближе к стенке. Поэтому действующая на нее сила сопротивления может оказаться больше в самой близкой к центру бокала точке, что приведет к вращению оливки в направлении, противоположном размешиванию. (Поскольку переменных, влияющих на этот процесс, слишком много, например для фаршированной оливки или оливки без косточки это распределение масс, оливка может вращаться и в направлении размешивания или даже хаотически.)

[32]

Почему обычно русло реки не прямое, а с излучинами? Глядя из окна самолета, обращаешь внимание на извилистость некоторых рек. В чем причина образования стариц, слепых рукавов рек? Почему вдоль сильно извилистых рек можно видеть старичные озера, напоминающие по форме ярмо для быков?

ОТВЕТ •При сложном режиме течения реки образование стариц начинается случайно. Однако если форма русла изменилась хоть немного, водный поток способствует дальнейшим изменениям. Из-за эрозии почвы или разрушения скальных пород вдоль берега и в ложе реки ее русло изгибается, а затем образуются петли. Это очень сложный процесс, зависящий от характера реки, но объяснить, что происходит, просто. На рис. 2.10a показан вид сверху на изгиб реки, а на рис. 2.10б — вертикальное поперечное сечение этого изгиба. Когда поток воды затекает в изгиб, он по спирали движется наверх, как если бы его туда выбрасывало. До выхода на поверхность поток замедляется благодаря шероховатости ложа реки. На поверхности воды поток не тормозится. Итак, в изгибе кроме потока вниз по течению возникает вторичный поток . По поверхности воды этот поток натекает на выгнутую наружу часть берега, по дну реки течет в направлении внутренней части петли, а затем вверх на поверхность воды. Этот вторичный поток вымывает грунт из-под выгнутой наружу части берега, а затем этот грунт переносится вниз по течению на внутреннюю сторону изгиба. Таким образом, по мере того как грунт убирается из-под выступающей наружу части берега, изгиб наружу увеличивается.

Рис. 2.10 / Задача 2.26.a) Вид сверху на вытянутый изгиб реки. б) Вторичный поток в поперечном сечении изгиба.

Когда петля становится большой, эрозия берега в районе изгиба может отсечь ее от основного русла и привести к образованию старичного озера.

Почему, добывая пищу, кулики-плавунчики (маленькие болотные птички) энергично вертятся в воде из стороны в сторону и беспрестанно кивают головой?

ОТВЕТ •Когда на поверхности воды пищи недостаточно, плавунчик резко поворачивается, растопыривая пальцы и сильно отталкиваясь от воды, а затем подгибает и поджимает лапки. Благодаря его усилиям вода из нижних слоев, в которых есть корм, поднимается на поверхность, вращаясь в направлении, противоположном направлению вращения птички. Когда пища достигает поверхности, плавунчик мгновенно ее склевывает. По-видимому, наилучший результат достигается в том случае, когда выходящая наверх вода приносит с собой пищу со дна мелкого болота, откуда плавунчик никак иначе ее достать не может.

Если вы будете вращать сваренное вкрутую яйцо, оно будет стоять на одном конце. Если вы вращаете его в мелком водоеме (глубиной несколько миллиметров), вода сначала поднимается по поверхности яйца и лишь потом разбрызгивается. Почему?

ОТВЕТ •Как правило, когда вы размешиваете жидкость, например чай, в чашке, она движется по раскручивающейся спирали: в центре образуется углубление, что указывает на наличие здесь вихря. Если яйцо закручено в воде, вода не только движется в направлении от яйца, но и прилипает к нему. Поднимаясь по его поверхности вверх, вода может двигаться, не отрываясь от скорлупы. Когда вода поднимется до некоторого уровня на изогнутой поверхности яйца, гравитационная сила и общая потеря устойчивости приведут к отрыву воды. Она каплями разлетится по воздуху. Достигнув поверхности стола, капли образуют вокруг яйца кольцо.

Почему, когда вода из крана льется в плоскую раковину с открытым сливом, вокруг места ее удара о раковину образуется водяное кольцо, причем вне этого кольца вода глубже?

ОТВЕТ •Когда вода из крана ударяется о раковину, она растекается в радиальном направлении со скоростью, которую называют сверхкритической . Так говорят, поскольку вода движется быстрее, чем волны, которые могут распространяться по воде. Вначале поток стабилен: любые случайные возмущения быстро затухают. Однако по мере того, как вода растекается, ее вязкость начинает играть существенную роль, и поток становится неустойчивым. Происходящее можно описать следующим образом. На дне раковины возникает вязкий поток, постепенно распространяющийся вверх. На определенном расстоянии от точки, где струя ударяется о раковину, вязкий поток достигает поверхности воды, и ее глубина неожиданно увеличивается. Этот эффект известен как гидравлический скачок (рис. 2.11). За образовавшейся водяной стенкой скорость воды меньше ( докритическая скорость ). Таким образом, гидравлический скачок — переход от более быстрого и мелкого потока к более медленному и глубокому.