Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Рис. 2.12 / Задача 2.39.Закручивающийся вверх поток горячего воздуха, двигающийся вдоль нагретой земли. Холодный воздух опускается.

Пыльный вихрь может переместиться с земли на воду, но, пока он не захватит достаточное количество воды, разглядеть его будет трудно. Единственным свидетельством, указывающим на существование такого вихря, будут круги, которые он оставляет на воде.

В тумане вихри образуются, если туман поднимается над местом, покрытым мокрой, ярко освещенной травой. Трава нагревает воздух непосредственно над собой, и он поднимается вверх наподобие горячего воздуха в пыльном вихре. Однако влага в воздухе конденсируется с образованием капель. Это процесс, сопровождающийся выделением большого количества тепла, благодаря чему нагретый воздух поднимается еще быстрее.

Туманный вихрь может появиться над водой, когда температура воздуха ниже температуры замерзания, а температура воды выше этого значения. Тогда воздух непосредственно около воды теплее, чем воздух в вышине, а такое состояние неустойчиво.

Когда за окном очень холодно, вы можете сами создать миниатюрный туманный вихрь. Для этого поместите в комнате под окном широкий контейнер и наполните его очень горячей водой. Затем откройте окно, так, чтобы холодный плотный воздух, прошедший через окно, оказался над водой. Горячий воздух и водяной пар, поднимающиеся над водой, устремляются вверх со все увеличивающейся скоростью, поскольку холодный воздух плотнее и конденсация водяного пара идет с выделением тепла. Надо еще принять во внимание горизонтальную силу, обусловленную потоком холодного воздуха через окно. В условиях небольшой турбулентности сложное движение вверх и по горизонтали способно привести к образованию короткоживущих вихрей. Увидеть их можно будет благодаря конденсации водяных капель.

Как курильщикам удается пускать дым кольцами? Почему, приближаясь к стене, такие кольца увеличиваются в размерах? Как дельфинам удается создавать похожие кольца из воздуха в воде?

ОТВЕТ •Кольца дыма — круговые вихри , вырывающиеся из наполненного дымом рта при сильном выдохе. Когда курильщик выпускает дым и воздух через округленные губы, вблизи губ поток тормозится из-за трения и, следовательно, отстает от потока в центре отверстия. Это приводит к тому, что вокруг губ поток выгибается наружу, и возникает вихревое движение. Дым просто играет роль маркера, позволяя увидеть движение воздуха.

Когда кольцо дыма приближается к стене, трение потока воздуха о стену приводит к расширению кольца. Скорость вращения воздуха уменьшается, как уменьшается скорость фигуриста, когда он вращается на носке конька и расставляет руки.

Как и курильщики, дельфины тоже любят играть круговыми вихрями и умеют их создавать разными способами. По-видимому, самый обычный из них такой: дельфин плывет на боку, помахивая из стороны в сторону хвостовым плавником, находящимся в этот момент в вертикальном положении. Когда плавник двигается в воде, трение замедляет поток вблизи него, вызывая завихрения, из которых потом формируется круговой вихрь в вертикальной плоскости. Затем дельфин разворачивается, вставляет свое дыхало [35]в круговой вихрь и выдыхает воздух в его центр, откуда он быстро распределяется по всему вихрю. Воздух помогает вихрю держаться на воде, а также выступает как маркер. Дельфин, играя, гоняется за вихрем, проплывает сквозь него. Он создает следующий кольцевой вихрь или разрывает вихрь на кусочки, которые, загибаясь, образуют вторичные вихри меньшего размера.

В классе создать вихрь можно с помощью воздушной пушки . Это коробка с круглым отверстием спереди, а сзади вместо стенки натянут гибкий материал (например, пластиковый мешок для мусора). Если оттянуть пластиковое покрытие наружу, а затем его отпустить, оно выталкивает струю воздуха через круглое отверстие. Точно так же, как при выпускании колец дыма, поток образует круговой вихрь, правда, без маркера. Можно испугать человека в другом конце комнаты, если, используя воздушную пушку, направить на него потихоньку большой круговой вихрь.

Также круговой вихрь получится, если капнуть жидкость либо в ту же самую жидкость, либо в любую другую жидкость, с которой она способна смешиваться. Вихрь формируется, когда капля ударяется о поверхность жидкости и пробивает ее. Чтобы увидеть, как он образуется, надо добавить в каплю чуть-чуть краски.

Если один круговой вихрь следует за другим, а их центры располагаются примерно на одной оси, второй вихрь может зацепиться за первый. В зависимости от обстоятельств эти два вихря могут либо слиться, образовав один большой вихрь, либо устроить «игру», напоминающую чехарду (рис. 2.13). Догоняющий вихрь сжимается и начинает вращаться быстрее, а первый вихрь расширяется, вращаясь медленнее. Затем второй вихрь проходит через первый и становится ведущим. «Перепрыгивание» вихрей друг через друга может происходить несколько раз. Его можно наблюдать и в том случае, если быстро, одну за другой, капнуть две капли на поверхность жидкости. Если каждая капля приводит к созданию кольцевого вихря, второй вихрь может пройти сквозь первый.

Рис. 2.13 / Задача 2.40.Догоняющее кольцо дыма проходит через переднее кольцо.

Почему сифоном можно откачать жидкость из сосуда (рис. 2.14)? Другими словами, почему жидкость поднимается по вставленной в нее трубке? В частности, жидкость вверх по трубке выталкивает атмосферное давление? Чем ограничена высота подъема? Почему свободный конец сифонной трубки должен быть ниже конца, вставленного в сосуд?

Рис. 2.14 / Задача 2.41.Сифонная трубка.

ОТВЕТ •Чтобы начать откачку, выходное колено сифона должно быть до конца заполнено жидкостью (это можно сделать с помощью груши-помпы, выкачивающей жидкость из сосуда). Хотя жидкость не твердая, а текучая субстанция, она тем не менее способна противодействовать внешнему усилию (говорят, обладает когезией). Это значит, что соседние элементарные объемы жидкости притягиваются друг к другу. Когда жидкость начинает вытекать из выходного колена сифона, жидкость сверху «перетягивает» новые объемы жидкости через изгиб, а те, в свою очередь, подтягивают вверх новые порции жидкости. Это напоминает вытягивание веревки или цепи из сифонной трубки. До тех пор пока участок цепи вне контейнера длиннее того, что остается в нем, сила тяжести вытягивает новые звенья цепи вверх, помогает им преодолеть изгиб сифона и направляет вниз по выходному колену.