Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Если подобрать высоту и тоненькой струйкой лить мед на тост, он, как канат, начинает укладываться колечками (рис. 2.19). Есть и другие жидкости, способные в некоторых случаях накручиваться сами на себя. Например, широкая струя льющегося теста складывается туда-сюда, как лента на подарочной коробке. Почему эти жидкости так себя ведут?

Рис. 2.19 / Задача 2.62.Колечки меда, похожие на бухту каната.

ОТВЕТ • Сворачиваются спиралью или складываются как лента вязкоупругие жидкости , то есть те, которые обладают одновременно и вязкостью, и упругостью. Мед, льющийся с достаточно большой высоты, сворачивается колечками или складывается как лента по следующим причинам. 1. Когда он попадает в лужицу меда, уже налитого на тост, высокая скорость и большая вязкость не позволяют ему сразу объединиться с этой лужицей. Из-за соударения с налитым ранее медом струйка внезапно замедляется, и в ней возникают напряжения. 2. Льющаяся струйка утончается, и вблизи поверхности лужицы она представляет собой либо цилиндр маленького радиуса, либо тонкую широкую ленту. Тонкую струйку действующие напряжения могут отогнуть в сторону. Цилиндрическая струйка будет продолжать закручиваться, образуя спиральку, которая внутри может быть полой. Более широкая струя изгибается туда-сюда. Отклонившись в одну сторону, она возвращается обратно благодаря межмолекулярным связям, а затем сгибается в другую сторону, и так далее. В общем случае чем больше высота, с которой льется струйка, тем больше частота накручивания или перегибания. Однако эффект пропадает, если эта высота слишком большая. В этом случае более вероятно, что жидкость будет падать отдельными каплями, а не литься тоненькой струйкой.

Что вызывает волны на воде? Как вообще они возникают?

ОТВЕТ •До конца это не ясно, но упрощенно объяснить появление волн можно так: легкий ветер или какое-то другое возмущение воздуха или воды приводят к появлению на воде ряби. Ветер может превратить рябь в более сильные волны. В частности, поток воздуха с наветренной стороны волны, проходя через гребень, разбивается на вихри с подветренной стороны. Давление воздуха в вихрях меньше, и разность давлений между наветренной и подветренной сторонами гребня гонит верхушку волны в направлении ветра и увеличивает высоту волны. Другими словами, ветер может передавать энергию волнам. Если ветер усиливается, усиливаются и волны — увеличивается их высота.

Обычно высота океанских волн не превосходит некоторой величины, которая зависит от ветров и штормов в данном районе. Однако иногда волны бывают особенно большими. О гигантской одиночной волне говорят, что ее высота пугает. Но бывают еще и волны-убийцы , их высота вызывает настоящий ужас. Такой волне предшествует появление впадины, которую часто называют «дыркой в океане». Если нос большого корабля, способного противостоять ураганам, соскальзывает в такую пропасть, его обычно разламывает на части, а обломки выносит наверх волной, возвышающейся над поверхностью океана на 30 м. В 1933 году экипажу корабля ВМС США «Рамапо» удалось выжить, столкнувшись с тридцатичетырехметровой волной-убийцей. Дежурный офицер измерил ее высоту методом триангуляции; невероятной преданностью науке обладает человек, занимающийся физикой в такой момент.

И гигантские волны, и волны-убийцы наблюдались на всех океанских побережьях. Но в водах юго-восточного побережья Африки они образуются гораздо чаще, чем в других районах. Это подтверждает и большое число случившихся здесь кораблекрушений. Что же вызывает появление гигантских волн и волн-убийц?

ОТВЕТ •Обычно, когда речь заходит об океанской волне, имеют в виду синусоидальную волну (волна в форме синусоиды с гребнями и впадинами), распространяющуюся по океанской поверхности. Если две двигающиеся в одном направлении волны перекрываются, можно допустить, что результирующая волна (та, которую вы увидите) получится просто сложением двух волн. Если бы волны точно совпадали по фазе, гребни и впадины новой волны были бы выше и глубже, чем у каждой отдельной волны. Если перекрывается много волн, двигающихся в разных направлениях, вычислить, какой будет результирующая волна, затруднительно, но простое сложение отдельных волн по-прежнему дает высоту ее гребней и глубину впадин.

Волна, образовавшаяся при простом сложении волн, называется линейной комбинацией волн. По-видимому, гигантские волны — это нелинейные комбинации отдельных волн, то есть такие их комбинации, когда по каким-то причинам у результирующей волны гребни гораздо выше, а впадины гораздо глубже. Возможно, когда высота гребней увеличивается, ветер усиливает их рост, так что в итоге они оказываются выше, чем ожидалось. А может быть, в определенных ситуациях увеличение высоты результирующей волны сверх какой-то критической точки модифицирует исходные волны и образовавшаяся волна становится еще выше. Шансы образования гигантских волн невелики, но случается, что такая волна захлестывает круизный лайнер или какой-нибудь другой корабль, приводя в изумление капитана, привыкшего иметь дело с линейными комбинациями волн.

Объяснить, как возникают волны-убийцы (их еще называют волнами-монстрами и чокнутыми волнами ), еще труднее, но и они появляются как результат нелинейной комбинации отдельных волн. То, что такие волны часто образуются вблизи юго-восточного побережья Африки, наверняка связано с движением в противоположных направлениях течения мыса Игольного, или Агульяс, и ветровых волн. Сильное течение Агульяс, извиваясь, движется на юго-запад, а ветровые волны — обычно на северо-восток. Волны, вынуждающие течение изгибаться, могут фокусироваться наподобие света в линзах. При определенных условиях такая фокусировка приводит к образованию «дырки в океане», за которой следует огромная, наклоненная в ее сторону волна.

Океанские волны двигаются в самых разных направлениях, зависящих от ветра и отдаленных штормов. Тогда, казалось бы, подходить к берегу они должны с разных сторон. Почему же, приближаясь к берегу, волны разворачиваются и подходят к нему более или менее параллельно береговой линии (рис. 2.20)?

Рис. 2.20 / Задача 2.65.Океанские волны меняют направление при уменьшении глубины воды (вид сверху).