Текст книги "Новый физический фейерверк"

2.37. Короткая история. Как выглядит торнадо изнутри

Не многим довелось на собственном опыте испытать, что происходит внутри воронки торнадо. Наиболее детально это описал капитан Рой Холл, чей дом оказался на пути торнадо в мае 1948 года. Когда с дома сорвало крышу и часть стен рухнула внутрь, Холл увидел соседний дом и успокоился, удостоверившись, что его дом не летит по воздуху, как ему показалось сначала. Однако через мгновение он оцепенел от ужаса: всего лишь в 20 м от него, на высоте около 6 м над землей висело нечто. Это нечто медленно колебалось вверх и вниз. Оно было изогнуто, и его вогнутая поверхность была повернута к Холлу. Он был потрясен собственной догадкой о том, что эта парящая штуковина – внутренняя поверхность воронки торнадо, а значит, он оказался внутри этой воронки!

Он заглянул в эту раскачивающуюся и непрерывно изгибающуюся воронку, которая, казалось, вытянулась вверх метров на триста. В центре воронки имелась светящаяся область. Когда воронка изгибалась, по всей ее длине образовывались кольца. Не было видно ничего, что воронка тащила бы за собой. Холл мог нормально дышать (значит, давление воздуха не было слишком низким), вокруг было невероятно тихо (в отличие от страшного рева, оглушившего его при приближении торнадо). Неожиданно воронка отодвинулась, и родня Холла, выбравшись из укрытия, обнаружила его в сильнейшем волнении, но целого и невредимого.

2.38. Водяные смерчи и облачные рукава

Что вызывает смерчи на воде, эти огромные водяные воронки? Почему иногда лодкам удается спастись при встрече с водяным смерчем?

ОТВЕТ • Обычно водяные смерчи образуются над водой там, где сильный восходящий поток воздуха окружен областью нисходящего воздушного потока. Воздух, который втягивается в восходящий поток, уносит с собой мелкие капельки воды и отбирает тепло у верхних слоев воды. Он теплее и влажнее, чем окружающий его в воронке воздух. Теплый воздух устремляется вверх, но затем влага начинает конденсироваться, образуя водяные капли. Это превращение сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, за счет чего воздух нагревается еще сильнее, а значит, увеличивается и скорость его движения вверх. Такой процесс называется геоконвекцией, и именно он управляет движением водяного смерча. Окружающий смерч воздух, особенно если он охлаждается из-за дождя, опускается, занимая место воздуха, поднявшегося по воронке. Водяной смерч напоминает торнадо, его даже часто описывают как очень слабое торнадо. Но геоконвекция, управляющая водяным смерчем, и нестабильность воздуха, приводящая к возникновению восходящего потока, скорее сродни пыльному вихрю[34]34
  В англоязычных странах пыльный вихрь называют пылевым дьяволом (dust devil). Прим. пер.


[Закрыть].

Хотя часто лодки справляются со слабыми водяными вихрями, более сильные вихри могут значительно повредить и даже перевернуть лодку среднего размера.

Нижний конец водяного смерча окружен своеобразным футляром – вращающимся облаком из водяной пыли. Нижнюю треть воронки видно благодаря поднявшейся по ней воде, а верхнюю часть можно увидеть, если образовались капли, рассеивающие солнечный свет.

2.39. Пыльные вихри, вихри в тумане, туманные вихри

Пыльные вихри – частое явление в жарких странах, но, случается, они образуются и на холодной поверхности Марса. Такие вихри видны благодаря пыли, грязи и всякому мусору, подхваченному ими с земли и поднятому вверх. Часто пыльные вихри маленькие и безобидные, но иногда они очень высокие, до километра высотой, и достаточно мощные, способны поднять с земли небольшое животное или даже ребенка. Высота марсианских пыльных вихрей может достигать 6 км.

Вихри в тумане – небольшие завихрения в тумане, а туманными вихрями называют вихри, образующиеся над водой в холодные дни. И те и другие живут недолго и безопасны.

Что является причиной образования всех этих вихрей?

ОТВЕТ • Подобные вихри образуются благодаря неустойчивости, возникающей, если более холодный воздух располагается поверх более теплого. Например, пыльный вихрь может появиться, если яркий солнечный свет сильно разогреет землю, которая, в свою очередь, разогревает тонкий слой воздуха вблизи поверхности. Горячий воздух малой плотности должен подниматься от поверхности земли вверх, но, если в данном месте совсем безветренно или ветер очень слаб, холодный воздух, как одеялом, накрывает слой теплого воздуха. Такое расположение слоев воздуха нестабильно, и даже выскочивший из кустов кролик может инициировать стремительный выброс горячего воздуха вверх. Массы горячего воздуха устремляются по земле к месту прорыва «холодного одеяла», закручиваются вблизи него и формируют поднимающийся вверх столб горячего воздуха. Это и есть пылевой вихрь (рис. 2.12). Вихрь может закручиваться либо по часовой стрелке, либо против в зависимости от потока воздуха над землей и встречающихся на его пути препятствий. Опускаясь, окружающий вихрь холодный воздух вытесняет вверх горячий воздух, который уносится вместе с пыльным вихрем.

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.

2.40. Круговые вихри

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]35
  Дыхало – дыхательное отверстие у китообразных. У дельфинов дыхало располагается на вершине головы. Прим. пер.


[Закрыть] 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.

2.41. Сифоны и туалеты

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.

Вопреки распространенному мнению, не атмосферное давление выталкивает жидкость вверх по сифонной трубке. На самом деле изменение атмосферного давления на работу сифона не влияет.

Говорят, что при подъеме жидкости по сифонной трубке на нее действуют растягивающие напряжения: каждый элементарный объем жидкости растягивается и вверх, и вниз. Может показаться неожиданным, но жидкость способна выдерживать растягивающие напряжения до тех пор, пока они не превосходят некоторое предельное значение, но если этот предел превзойден, в воде неожиданно начинают образовываться пузырьки, куда идет испарение. Высоту сифона можно повышать до тех пор, пока в верхней части сифонной трубки не образуются пузырьки. После этого водяной столб разрывается, сифон перестает откачивать воду, а вода, оставшаяся в сифоне, просто вытекает из него.

Сифон перестает работать и в том случае, когда воздух, просачиваясь во внутреннее колено сифонной трубки, собирается сверху и разрывает водяной столб. Такое часто случается в обычных туалетах. Когда вы сливаете воду из бачка в унитаз, давление в нижней части бачка увеличивается и проталкивает воду в канализационную трубу, имеющую форму сифонной трубки. Вода и все, что в ней плавает, откачиваются до тех пор, пока почти вся вода не вытечет из бачка. Может случиться, что воздух попадет в сифон и вода перестанет откачиваться. Обычно вода из бачка льется в унитаз еще несколько минут, но этого недостаточно, чтобы сифон опять начал функционировать. Однако он служит барьером, ограждающим вас от запаха из канализационной трубы.

2.42. Бегающие по воде шлемоносные василиски

Как дневным ящерицам, шлемоносным василискам, удается бегать по воде и не тонуть? Так убегают от хищников не только молодые и легкие василиски, но и ящерицы постарше и потяжелее.

ОТВЕТ • Василиск начинает бег с удара задней лапой по воде. В результате удара возникает поддерживающая его сила, направленная вверх. Но поскольку вода – жидкость с малой вязкостью, вскоре лапа начинает погружаться в воду. При этом благодаря кожным складкам на пальцах она захватывает с поверхности пузырек воздуха, который двигается вниз и назад. Толчок назад приводит к появлению направленной вперед силы, позволяющей василиску бежать. Поскольку василиску не нужно, чтобы его лапа испытывала сопротивление воды, он поднимает лапу до того, как воздушная полость под ней заполнится водой. Но к этому моменту по воде ударяет вторая лапа. Хотя василиски немного погружаются в воду, в результате чередующихся ударов задними лапами о воду средняя сила направлена вверх. Этой силы достаточно, чтобы удержать на воде даже взрослую особь.

2.43. Свинцовый брусок, плавающий в лодке

Предположим, вы сидите в лодке, плавающей в небольшом бассейне на заднем дворе. С собой в лодку вы взяли деревяшку и брусок свинца. Что произойдет с уровнем воды в бассейне, если выбросить деревяшку на траву, деревяшку в воду, брусок на траву, брусок в воду?

Что произойдет, если в дне лодки проделать небольшую дырку, так что вода будет понемногу затапливать лодку? Если уровень воды в бассейне меняется, это произойдет сразу после того, как вода начнет поступать в лодку?

ОТВЕТ • Плавающий предмет вытесняет воду, то есть занимает место, которое иначе занимала бы вода. Объем вытесненной воды определяется из следующего простого правила: масса вытесненной воды равняется массе предмета. Поэтому если кусок дерева весом 1 кг плавает в воде, он будет погружаться до тех пор, пока не вытеснит объем воды, масса которого равна 1 кг. Деревяшка вытесняет именно этот объем воды вне зависимости от того, плавает она в лодке или просто в воде. Когда вы выбрасываете деревяшку из лодки в воду, количество вытесненной воды не изменится, а значит, не изменится и уровень воды в бассейне. Но если вы выкинете ее на траву, она больше не будет занимать место воды в бассейне и, следовательно, уровень воды понизится.

Когда брусок свинца находится в лодке, на него распространяется то же правило равенства масс. Предположим, брусок весит 1 кг. Тогда он вытеснит объем воды весом 1 кг. Воды потребуется много: объем вытесненной воды окажется примерно в 11 раз больше объема бруска. Если брусок выбросить на траву, он больше не будет вытеснять воду и уровень воды в бассейне сильно понизится. Если вместо этого бросить брусок в воду, он утонет. Объем вытесненной воды теперь равен объему бруска. Он в 11 раз меньше того объема, который вытеснял брусок, плавая в лодке. Уровень воды в бассейне понизится, но не так сильно.

Когда вода начинает поступать в лодку, она все еще остается на плаву и, следовательно, вытесняет то же количество воды. Уровень воды изменится только тогда, когда лодка перестанет плавать, то есть когда она полностью затонет. Тогда уровень воды сразу резко понизится.

2.44. Плавающие бруски и открытые контейнеры

Открытые контейнеры, такие как тара для пищевых продуктов или бутылок, плавают прямо или наклонно? Если в жидкости плавает длинный брусок с квадратным поперечным сечением, как он будет ориентирован (см. рис. 2.15)?

Рис. 2.15 / Задача 2.44. Две ориентации плавающего бруска с квадратным сечением.

ОТВЕТ • Если какой-то предмет плавает, действующая вверх выталкивающая сила уравновешивает направленную вниз силу тяжести. Оказывается, что, если контейнер частично погружен в воду, есть несколько ориентаций, гарантирующих баланс этих сил. Однако большинство таких ориентаций неустойчивы. Это связано с тем, что выталкивающая сила может вызвать вращение контейнера. В общем случае конечную ориентацию предсказать трудно. Вы можете сами в этом убедиться, отправляя контейнер в плавание в раковине или ванне. Вот несколько результатов. Низкий и широкий контейнер будет плавать прямо (дном вниз), но высокий и узкий контейнер наклонится и может даже перевернуться. Похоже, самым неожиданным образом ведет себя легкий контейнер, в который медленно просачивается вода. Когда такой контейнер пуст, он ориентирован прямо, но по мере заполнения водой он все больше наклоняется, а затем угол наклона уменьшается, и перед тем как затонуть, контейнер опять ориентирован прямо.

Ориентация бруска квадратного поперечного сечения зависит от отношения между его плотностью и плотностью жидкости. Поскольку брусок плавает, это отношение больше единицы быть не может. Когда оно близко к нулю, брусок так легок, что почти не погружается в воду, он плавает гранью вниз. Если понемногу увеличивать плотность материала бруска, он постепенно погружается, но по-прежнему будет плавать вниз гранью. Но когда отношение плотностей становится порядка 0,21, брусок начинает наклоняться, а когда оно достигает 0,28, грани бруска составят угол в 45° с горизонтальной поверхностью воды.

Если и дальше увеличивать плотность жидкости, ориентация бруска не меняется до тех пор, пока отношение плотностей не станет равным 0,72, затем угол наклона начнет уменьшаться. Когда это отношение окажется равным 0,79, брусок опять будет плавать одной из граней вниз. При отношении плотностей, равном единице, брусок, естественно, утонет.

2.45. Дыра в дамбе и корабль в сухом плавучем доке

Всем известна легенда о голландском мальчике, который спас свой город от наводнения, заткнув пальцем дырку в дамбе, защищавшей город от наступления Северного моря. Как одному мальчику удалось сдержать натиск всего Северного моря?

Когда судно ставят в плавучий сухой док, из него откачивают воду, и одновременно стены дока сдвигают так, чтобы удерживать судно в нужном положении. Какое минимальное количество воды надо оставить, чтобы корабль держался на плаву?

ОТВЕТ • Давление воды на палец мальчика зависит от того, насколько далеко от поверхности воды была замеченная им дырка, а не от ширины или глубины всего моря. Поэтому если предположить, что дырка находилась вблизи поверхности моря, подобная история вполне могла бы быть правдой.

Дать полный ответ на вопрос о сухом доке не получится. Однако способность судна держаться на плаву не зависит от ширины и глубины всей воды в доке. Важна только высота воды у бортов судна. В принципе, если высота воды остается прежней, давление воды приводит к появлению действующей на судно и направленной вверх выталкивающей силы, компенсирующей направленную вниз силу тяжести. Значит, для удержания судна на плаву достаточно даже тонкого слоя воды вокруг его корпуса. Однако слишком тонкий слой нестабилен, и любое случайное возмущение может привести к соприкосновению судна и стенок дока. В этом случае судно уже не сможет удержаться на плаву.

2.46. Обмороки летчиков при перегрузках

Летчики-асы давно знают, что большие перегрузки на крутых виражах могут привести к потере сознания[36]36
  Английский термин, обозначающий это состояние, G-LOC (аббревиатура от G-force induced Loss Of Consciousness), в аэрокосмической физиологии означает потерю сознания при чрезмерных и устойчивых перегрузках. Прим. пер.


[Закрыть]. Организм летчика заранее сигнализирует о возможной опасности. Когда центростремительное ускорение достигает 2 или 3 g, тело летчика тяжелеет. Примерно при 4 g происходит потеря цветового зрения и сужение поля зрения: летчик видит все в черно-белом цвете и теряет способность к периферическому обзору (видит только то, что происходит прямо перед ним, как в тоннеле). Если долго сохраняется ускорение 4 g или оно еще возрастает, зрение теряется полностью, а вскоре после этого летчик теряет сознание. Что вызывает изменения в его состоянии?

ОТВЕТ • При больших ускорениях изменяется давление в системе кровоснабжения сетчатки глаза. При этом ухудшается или прекращается поступление кислорода сначала к сетчатке глаза, а затем к зрительной зоне коры головного мозга. В результате у человека ослабляется зрение, затем наступает слепота, и в конце концов происходит потеря сознания. На современных мощных и высокоманевренных реактивных самолетах в условиях близкого боя пилот, выполняя стремительный вираж, может потерять сознание без предупреждения. Если сознание быстро к нему не вернется, самолет либо сорвется в штопор, либо, потеряв управление, столкнется с землей.