Текст книги "Новый физический фейерверк"

2.26. Извилистые (меандрические реки

[32]32
  Название происходит от малоазиатской реки Меандр, известной своими необыкновенными изгибами. Прим. пер.


[Закрыть]

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.

2.27. Птица, вертящаяся в воде

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.

2.28. Вода, поднимающаяся по вращающемуся яйцу

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.

2.29. Вода, образующая круг в раковине

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.

Рис. 2.11 / Задача 2.29. Водяное кольцо вокруг падающей в раковину струи.

С гидравлическим скачком приходится иметь дело часто. Например, когда вода течет по подъездной дорожке или вдоль бордюра тротуара, в дренажных трубах и наклонных ирригационных каналах. Обратите внимание на стоячую волну, образующуюся там, где на пути потока воды есть препятствие. Когда вода обтекает препятствие или течет поверх него, образуются волны. Большинство из них просто затухают, теряя энергию, но волна определенной длины распространяется против течения со скоростью воды в потоке. Это стоячая волна. Препятствие непрерывно нарушает спокойное течение потока, а вызванные им волны «подпитывают» воду энергией, поддерживая стоячую волну. В отличие от раковины, где есть только одно возвышение, в стоячей волне возможны несколько неподвижных гребней и впадин. При сплаве на плоту по реке с порогами гидродинамический скачок бывает опасен: если плот, перебираясь через стену воды и попав в водоворот, перевернется в бурном потоке, последствия могут оказаться серьезными.

Если в кухонной раковине каплю воды осторожно поместить чуть выше по потоку от места гидравлического скачка, она может попасть в ловушку перед образовавшейся водяной стенкой. Такая капля будет долго оставаться на плаву (не смешиваясь с остальной водой), поскольку ее поддерживает воздух, затягиваемый под каплю текущей водой.

В потоке вязкой жидкости, такой как антифриз (этиленгликоль), тоже возможно образование круговой стенки при гидравлическом скачке, но в этом случае она может самопроизвольно трансформироваться в многоугольник с прямыми сторонами и закругленными вершинами.

2.30. Уровень воды в канале

Предположим, вы плывете на лодке по достаточно узкому и мелкому каналу. Что происходит с уровнем воды вблизи стенок канала, когда мимо проходит нос лодки? Уровень воды там повышается или понижается?

ОТВЕТ • Вода перед плывущей вдоль канала лодкой должна протиснуться через узкое свободное пространство между ее бортами и стенами канала. Движение воды возможно благодаря тому, что нос лодки все время погружен в воду. При этом вода оттесняется от передней части лодки, скорость ее увеличивается, а давление уменьшается. Таким образом, когда лодка плывет вдоль канала, уровень воды между стенками и носом лодки понижается. Это называется канальным эффектом. Возникающие изменения напора воды и скорости потока вдоль бортов судна могут сильно осложнять судоходство по каналам, влиять на работу оборудования на стенках канала и его ответвлениях.

2.31. Солитоны

В 1834 году британский инженер и кораблестроитель Джон Скотт Рассел наблюдал необычную волну на канале близ Эдинбурга. По узкому каналу лошади быстро тянули баржу, а затем и лошади, и баржа внезапно остановились. Но водяной вал, образовавшийся около носа баржи, продолжал двигаться вдоль канала со скоростью примерно 4 м/с. Около трех километров Рассел верхом на лошади гнался за этой «водяной горой» около метра высотой и примерно десяти метров шириной (от края до края канала). Затем «в изгибах канала» он потерял ее из виду. Рассел был поражен: распространяясь, волна, казалось, не уменьшалась в размерах. Волны в возмущенном потоке достаточно быстро уменьшаются в размерах и, уж конечно, не будут катиться несколько километров даже на широких водных просторах. Что же такое особенное было в волнах Рассела?

ОТВЕТ • Когда баржа движется вдоль канала со скоростью, превышающей скорость волн на воде, перед ее носом формируются водяные валы. Если скорость баржи лишь слегка превышает скорость волн, перед баржей появляются несколько отчетливо видных гребней и впадин. Но если баржа движется быстрее, впадины заполняются водой и формируется один мощный вал, называемый одиночной волной, или солитоном.

Рассел наблюдал одиночную волну, оторвавшуюся при внезапной остановке баржи. Описать такую волну математически сложно, но на пальцах объяснить эффект можно так. Обычно волны, распространяющиеся по воде, различаются длиной волны. От длины волны зависит скорость их распространения. Это называется дисперсией волн. Если всплеск стал источником пакета волн разной длины, он диспергирует, меняет форму, расплывается и затухает с расстоянием. В одиночной волне исходное нарушение уровня воды усиливается самой волной, препятствуя дисперсии и сохраняя форму волны. И действительно, солитон распространяется на очень большие расстояния, поскольку благодаря малому внутреннему трению воды свою энергию он теряет медленно.

В обычной волне элемент объема воды двигается по круговой или эллиптической траектории, но не переносится в направлении распространения волны. Например, если вы брызгаетесь в пруду, возбуждая на его поверхности волны, распространяются только волны, но вода по пруду не перемещается. Солитон отличается тем, что он воду переносит. Чтобы показать это, Рассел поставил много опытов, изучая одиночные волны, созданные баржами, которые лошади волокли вдоль канала. Рассел обнаружил, что глубина воды в конце канала увеличивается, а в начале, откуда отплыла баржа, ровно на столько же уменьшается.

2.32. Приливные волны

Почему в некоторых реках, впадающих в открытое море, когда вода поднимается вверх по реке во время прилива, образуется приливная волна? Аномально высокую приливную волну называют бор. Почему на некотором расстоянии от устья такая волна может привести к очень существенному увеличению глубины воды? Случается, что иногда при «правильном» приливе бор столь высок, что, оседлав его, серфингисты преодолевают расстояние в несколько километров (например, в Англии на реке Северн).

Задолго до того, как серфинг стал спортом, рыбаки устанавливали лодки в устьях рек и, используя бор, поднимались высоко вверх по течению. Правда, об этом не знали капитаны и команды кораблей Королевских военно-морских войск Великобритании, занимавшиеся в 1888 году в Китае геодезической съемкой местности в бассейне реки Цзинь-шацзян[33]33
  Местное название реки Янцзы в районе Сино-Тибетских гор. Прим. пер.


[Закрыть]. Однажды ночью, когда корабли стояли на якоре, моряки услышали ужасный рев. Примерно через полчаса корабли подхватил бор и, хотя моторы работали на полную мощность, пытаясь противостоять волне, протащил их вверх по течению почти на километр. Причиной грохота была турбулентность бора, который мог бы и опрокинуть корабли.

ОТВЕТ • Приливная волна бор может возникнуть, когда огромная масса воды устремляется вверх по реке либо как один бурный вал, либо образовав несколько следующих друг за другом спокойных гребней и провалов. Наилучшие условия для образования бора следующие. 1. Большие приливные изменения уровня воды в том водном пространстве, куда впадает река. 2. Мелкая река с отлогими берегами и воронкообразным устьем. Когда образовавшиеся на глубокой воде волны с большой длиной волны прорываются через узкое отверстие в мелководье устья, а затем в реку, формируется либо волновой фронт, либо водяной вал. При волнистом гидравлическом скачке, его называют прыжок-волна, поверхностных водоворотов нет. Гребни и провалы этой волны увеличиваются и по высоте, и в ширину, передняя часть гребней становится более пологой, а затем они переливаются через край, заполняя провалы. В результате формируется один водяной горб – солитон, двигающийся вверх по течению. Бор может быть очень опасен, если возникает неожиданно для лодочников. Исторический пример: в 1843 году дочь знаменитого писателя Виктора Гюго каталась на лодке в нижнем течении Сены. Неожиданно налетевший бор перевернул лодку, и не умевшая плавать молодая женщина утонула.

2.33. Приливы и отливы

Что вызывает приливы и отливы? Почему в некоторых местах бывает два прилива в день, а в других один?

ОТВЕТ • Основная причина приливов и отливов – гравитационное притяжение океанских вод к Луне, хотя эта сила и не настолько велика, чтобы приподнять воду. Поскольку сила притяжения меняется вдоль поверхности Земли (притяжение сильнее на стороне, обращенной к Луне, и слабее на противоположной стороне), она меняет форму свободной поверхности водных массивов, вытягивая ее в направлении линии, соединяющей Землю и Луну. Из-за этого распределение воды меняется и океан как бы вспучивается в двух местах: одно «вздутие» на стороне, обращенной к Луне, а другое – на противоположной. Если бы Земля не вращалась, на участках берега вблизи обоих «вздутий» высокая вода (высшая точка прилива) держалась бы круглосуточно. Однако Земля вращается, а это означает, что примерно раз в сутки каждый участок берега проходит мимо одного из вздутий. Этим и объясняется существование двух приливов в день.

Однако не все так просто. Поскольку движение воды зависит еще и от внутреннего трения и трения воды о берег, вздутия расположены не строго на линии, соединяющей Землю и Луну. Из-за трения реакция воды на обязанное Луне растяжение запаздывает. А это означает, что в портовых городах высшая точка прилива может сдвигаться на час, а то и больше, относительно времени, когда Луна будет в зените. Например, в Ла-Манше, где беспрепятственное движение воды сильно затруднено, высшая точка прилива запаздывает на много часов.

Еще одна сложность связана с тем, что притяжение Солнца тоже стремится изменить распределение воды. Однако оказывается, что влияние Солнца примерно вдвое меньше влияния Луны. Хотя Солнце гораздо больше Луны, оно еще и гораздо дальше от Земли. Во время новолуния и полнолуния Солнце, Луна и Земля выстраиваются вдоль одной прямой, и приливообразующие силы Луны и Солнца действуют вдоль одного направления, поэтому приливы максимальны. Их называют сигизийными приливами. Наоборот, квадратурный прилив – это минимальный прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют под углом 90° друг к другу. Есть и другие эффекты, влияющие на приливы и отливы. Поэтому в некоторых местах приливы бывают только один раз в день.

2.34. Приливы в заливе Фанди

Впечатляют приливы в заливе Фанди (Канада). Они происходят каждые несколько часов, причем разница уровней воды при приливах и отливах достигает 18 м. Почему же здесь амплитуда прилива столь велика и почему она не достигает таких значений в других местах?

ОТВЕТ • Воду в ванне можно заставить колебаться (плескаться), если периодически надавливать на нее (накачивать ее) лопаткой. Осцилляции будут самыми сильными, если рассчитать время так, чтобы надавливание происходило каждый раз, когда на одном из концов ванны уровень воды самый высокий. В этом случае говорят о резонансной накачке, а также о том, что выбранный вами временной интервал совпадает с периодом собственных колебаний воды в ванне.

Воду в заливе тоже можно заставить колебаться с большой амплитудой, если имеет место резонансная накачка. Например, в заливах вода обычно плещется под действием приливных сил Луны. Однако, поскольку цикличность приливов не совпадает с периодом собственных колебаний воды в заливе, чаще всего вода лишь слегка колеблется. В заливе Фанди дело обстоит иначе: там период собственных колебаний воды порядка 13,3 ч, что достаточно близко к 12,4 ч – времени между приливами (это время составляет половину лунных суток). Поэтому в заливе Фанди колебания уровня воды значительны.

Согласно многолетним наблюдениям, период собственных колебаний воды в заливе постепенно сдвигается в сторону периода приливных колебаний, поэтому амплитуда прилива в заливе Фанди понемногу растет. Этот сдвиг может быть связан с изменением формы поверхности воды в заливе из-за изменения уровня воды в море.

2.35. Мертвая вода

В августе 1893 года у северных берегов Сибири «Фрам», корабль полярной экспедиции под руководством Фритьофа Нансена, попал в зону так называемой мертвой воды. Скорость судна, обычно достигавшая 6–7 узлов, в мертвой воде не превышала 1,5 узла, хотя и вода была спокойной, и погода тихой. Более того, корабль был почти неуправляем. Видимых отличий воды в этой зоне от остальной воды в океане не было. Что же привело к падению скорости и почему корабль не слушался руля?

ОТВЕТ • Зоны мертвой воды появляются там, где при впадении реки в океан слой относительно пресной воды, не перемешиваясь, растекается по соленой воде. Существенную роль в этом играет наличие двух поверхностей раздела между разными средами: это поверхность раздела воздух – пресная вода и поверхность раздела пресная вода – морская вода. В обычных условиях большая часть энергии корабельного двигателя тратится на создание поверхностных волн на границе раздела воздух – океанская вода. Можно сказать, что потери энергии при создании волн – одна из форм аэродинамического сопротивления, препятствующего движению корабля. В мертвой воде корабль создает две системы волн на обеих поверхностях, а это означает, что аэродинамическое сопротивление существенно увеличивается. Чем быстрее корабль пытается двигаться, тем быстрее его энергия передается так называемым внутренним волнам на поверхности раздела пресная вода – соленая вода.

Нос корабля располагается выше первого гребня внутренней волны. Вода непосредственно под этим гребнем движется в направлении, противоположном направлению движения корабля, и тормозит его. Форма корпуса «Фрама» оказалась такой, что руль также располагался над гребнем волны и поэтому никак не мог помочь капитану управлять кораблем.

2.36. Торнадо

Торнадо случаются во многих местах по всему миру, но в центральной части Соединенных Штатов есть аллея торнадо – большое пространство, где торнадо может возникнуть практически в любой момент. Человек испытывает перед торнадо благоговейный трепет и страх. Каждый, кто видел и пытался спрятаться от торнадо, знает: этот смерч одновременно и прекрасен, и ужасен. Почему же возникают торнадо и почему на аллее торнадо они происходят так часто? Как торнадо разрушает дома: стены вываливаются наружу или падают внутрь? Иногда в популярных книжках рассказывается, что воздушные потоки при торнадо, бывает, впечатывают солому в деревянную стойку бара. Такое и впрямь возможно?

ОТВЕТ • Торнадо – мощный атмосферный вихрь, образующийся при сильной грозе, если теплый, насыщенный паром воздух движется ниже сухого и холодного воздуха и эти два воздушных массива двигаются в противоположных направлениях. Когда теплый воздух, поднимаясь вверх, проходит через холодный воздух, водяной пар конденсируется и образуются водяные капли. Этот процесс сопровождается существенным выделением тепла, благодаря чему нагретый воздух устремляется вверх с еще большей скоростью. Сложное движение воздуха (движение воздушных масс в противоположных направлениях и ускорение поднимающегося вверх теплого воздуха) приводит к так называемому сдвигу ветра, когда скорость соседних воздушных потоков сильно разнится и по величине, и по направлению. По не слишком понятным до сих пор причинам в таких условиях могут образовываться воздушные вихри, а затем и торнадо. Хотя этот процесс можно моделировать на мощных компьютерах, простой ответ, указывающий на причину возникновения торнадо, получить не удается. Неясно и почему торнадо обладают таким большим запасом энергии.

Торнадо можно видеть только тогда, когда смерч подхватывает с земли и несет с собой грязь и другой мусор, или при значительной конденсация пара в водяные капли. Возможно, мощные торнадо состоят из нескольких небольших вихрей, вращающихся вокруг одного большого центрального вихря. Торнадо бывают разных форм. Они могут напоминать воронки, столбы или канаты (змей). Некоторые торнадо почти вертикальны, а другие, прежде чем опуститься, становятся почти горизонтальными. Кажется, что все торнадо двигаются, причудливо изгибаясь, перемахивая через целые деревни, а иногда опускаются вниз, оставляя на земле глубокие отметины.

В противовес распространенным представлениям, для домов торнадо представляет опасность не из-за внезапного понижения давления воздуха, когда стены неожиданно вываливаются наружу. На самом деле давление падает не слишком сильно. Поэтому при приближении торнадо не тратьте время, не открывайте окна, надеясь, что в доме давление воздуха сравняется с давлением во дворе. Бегите! Прячьтесь! Лучше всего укрыться в подвале, но, если подвала нет, ванная комната с системой водопроводных труб и ванной, которая может служить хоть каким-то щитом, тоже подойдет.

Угрозу для дома представляют воздушные потоки большой скорости, сопровождающие торнадо. Попав под карниз, они могут сорвать с дома крышу. Поскольку при этом целостность конструкции нарушается, стена с наветренной стороны обрушится внутрь дома, а остальные три распадутся наружу. Хотя в «Волшебнике Изумрудного города» торнадо поднял и унес домик Элли, это маловероятно. Скорее, дом развалится на части, а его обломки разлетятся в разные стороны. Они, как шрапнель, могут даже разнести соседний дом. Если дом не развалился на части, его может развернуть вокруг какой-то закрепленной оси, возможно, вокруг водопроводной трубы в ванной комнате. Для дома это кончится тем, что он будет ориентирован по-новому.

Воздушные потоки торнадо бывают настолько сильны, что могут впечатать солому в какой-нибудь деревянный предмет, а деревянную палку – в стальную трубу. Когда воздушные потоки торнадо моделировали в лаборатории, стреляя из пневматической пушки щепками, зубочистками и соломенными вениками, они застревали в деревянных мишенях.