Текст книги "Новый физический фейерверк"

2.55. Трагедия на озере Ниос

В августе 1986 года в долине высокогорного озера Ниос на северо-западе Камеруна погибли около 1700 человек, весь домашний скот, птица, дикие животные и даже насекомые. Смерть вызвал какой-то ядовитый газ или аэрозольное облако. Специалисты, добравшиеся туда через несколько дней, пришли к выводу, что, скорее всего, причиной катастрофы было само озеро, а не выброс токсичных вулканических газов. Как озеро могло стать источником ядовитого газа?

ОТВЕТ • Вода в озере отличается большим содержанием растворенного диоксида углерода (СО₂). В донных слоях его концентрация особенно высока из-за большего давления воды. Вероятно, по какой-то причине вода из донных слоев переместилась к поверхности, что привело к выделению пузырей газа, всплывших на поверхность. Пузыри вырывались из воды с такой силой, что по озеру пошли мощные волны, затопившие низины на южном берегу. Собравшийся над озером диоксид углерода превратился в туман и быстро распространился за его пределы, окутав всю долину. Все, кто оказался на пути этого смертоносного облака, задохнулись.

Вероятно, мы никогда не узнаем, что именно привело к подъему придонных слоев воды озера Ниос. Это могли быть холодные дожди, выпавшие только на одной половине озера, в сочетании с очень сильным ветром в этом месте. Поскольку дождевая вода холоднее, а значит, и плотнее воды в озере, ее скопление на поверхности нарушило равновесие. Если сильный ветер гнал слои дождевой воды по поверхности озера и они опускались на дно, это могло привести к выталкиванию донных слоев в противоположном конце озера. Когда вода постепенно поднималась из глубины, давление понижалось и газ начинал выделяться из раствора.

Диоксида углерода в озере Ниос по-прежнему очень много, и ученые боятся, что может произойти новый смертельно опасный выброс этого газа. Они предупреждают всех о необходимости, особенно в сезон дождей, держаться подальше от этого озера. Кроме того, на дне озера проложены трубы и вода перемешивается, чтобы не допускать ее насыщения углекислым газом.

2.56. Короткая история. Прыжок через дом и планирование в шезлонге

В сентябре 1937 года на поле для гольфа в городе Олд-Орчард-Бич (США) кинохроникер Эл Мингалоне всю вторую половину дня пытался заснять трюк, известный как прыжок через дом. Прикрепив к себе ремнями 27 больших баллонов, наполненных водородом, он раз за разом разбегался, бежал к дому и прыгал вверх, надеясь, что подъемная сила баллонов подхватит его и перенесет через строение. Но все его попытки заканчивались провалом: ему удавалось подняться лишь на 7,5 м, а этого было недостаточно.

Когда начали сгущаться сумерки, он объявил: «Ладно, покончим с этим: в этот раз для хорошего прыжка увеличим число баллонов». Наполнили еще пять баллонов, прикрепили их к ремням, и Мингалоне совершил свой последний за этот день прыжок. Но когда он поднимался, страховочный канат, привязанный одним концом к бамперу машины, а другим к ремням, туго натянулся, а затем лопнул.

Начиналась гроза, а Мингалоне в тусклом свете сумерек дрейфовал в направлении Атлантического океана. Его отец и один из ассистентов сначала в ужасе наблюдали за происходящим, а затем вскочили в машину. К ним присоединился священник местной церкви отец Муллен, предусмотрительно захвативший дальнобойную винтовку 22-го калибра. Втроем на машине они погнались за Мингалоне, но воздухоплаватель, пролетая через дождевые тучи, часто исчезал из виду. Кроме того, машина была сконструирована для езды по дорогам, которые, безусловно, не повторяли в точности траекторию полета Мингалоне.

Через час, когда Мингалоне был на высоте примерно 250 м, автомобилисты его наконец увидели. Они остановились, отец Муллен тщательно прицелился и прострелил три баллона, чтобы Мингалоне мог приземлиться без травм. Уменьшение подъемной силы позволило ему медленно опуститься, но если бы отец Муллен прострелил слишком много баллонов, все могло бы кончиться трагически. Во время полета Мингалоне уронил камеру, но позже ее нашли на картофельном поле. Камера осталась цела, а событие, которое удалось запечатлеть, оказалось гораздо более захватывающим, чем то, которое он изначально пытался заснять.

В июле 1982 года Ларри Уолтерс из Сан-Педро совершил похожий полет, но он сделал это намеренно. Его взлетной полосой была подъездная дорожка к гаражу, а в воздушное путешествие Уолтерс отправился в шезлонге, к которому привязал 42 метеозонда, наполненных гелием. Вначале скорость его подъема составляла 250 м/мин, и вскоре Уолтерс оказался примерно на пятикилометровой высоте. Он попал в воздушный коридор, где его заметили пилоты двух самолетов. Их сообщения о человеке в шезлонге на метеозондах сильно удивило бы авиадиспетчеров международного аэропорта Лос-Анджелеса, если бы один из приятелей Уолтерса не рассказал им об этом по телефону чуть раньше.

Поднявшись до слоев разреженного холодного воздуха, Уолтерс собрался уменьшить подъемную силу и прострелил несколько метеозондов пневматическим ружьем. Но затем из-за сильного волнения и кислородного голодания он выронил ружье. Хотя кислородное голодание приводит к эйфории, Уолтерс испугался, когда его шезлонг вскоре начал вновь набирать высоту. Когда шезлонг стал наконец снижаться, воздухоплаватель контролировал падение, периодически выбрасывая для облегчения шезлонга банки с водой.

Когда Уолтерс был уже недалеко от земли, шары запутались в линии электропередачи, но, к счастью, все закончилось тем, что он повис в двух метрах от земли. Этого расстояния было достаточно и возможность короткого замыкания непосредственно между ним и землей исключалась. Чтобы освобождение Уолтерса не превратилось в казнь на электрическом стуле, спасателям, прежде чем спустить его вниз, пришлось обесточить целый район.

Полет Уолтерса продолжался около полутора часов. Он поднялся на высоту порядка 5 км и пролетел 16 км по горизонтали. Сначала чиновники Федерального управления гражданской авиации недоумевали, в чем можно было бы обвинить Уолтерса: правил, регулирующих полет шезлонгов в коридорах для самолетов, не существовало. Но после шести месяцев раздумий агентство предъявило ему несколько обвинений, включая управление воздушным судном, не имеющим сертификата летной годности. В результате Уолтерсу пришлось выплатить крупный денежный штраф.

2.57. Течение стекла в окне средневекового собора

Некоторые оконные стекла средневековых соборов снизу толще, чем сверху. Значит ли это, что в продолжение всех прошедших столетий стекло постепенно стекало вниз?

ОТВЕТ • Стекло можно считать вязкой жидкостью, способной течь или оседать. Однако, согласно расчетам, стекание вниз происходит слишком медленно. Потребуется около миллиона лет, чтобы вызвать заметные изменения в средневековых стеклах.

Можно объяснить, почему старинные оконные стекла имеют такую форму, рассмотрев процесс их изготовления. Сначала стекло выдували в форме цилиндра, который затем разрезали и уплощали. Нижняя часть цилиндра могла быть толще верхней, и поэтому одна из частей стекла оказывалась толще. Строители, конечно, устанавливали оконные стекла утолщением вниз.

2.58. Странные вязкие жидкости

Почему кетчуп легче вытекает из бутылки, если ее сначала потрясти? Этот эффект можно наблюдать, когда, пытаясь полить гамбургер, вы вдруг обнаруживаете, что кто-то за вашим столом незадолго до этого встряхнул бутылочку с кетчупом. В результате кетчупа на вашей тарелке оказывается больше, чем гамбургера. Почему чернила легко вытекают из шариковой ручки, когда ею пишут, но не когда она лежит в кармане или в сумке? Почему однослойная краска легко ложится на стену, но не стекает со стены на пол? Почему при комнатной температуре масло можно размазать по хлебу ножом, а само оно не растекается? Почему крахмал, в который добавили немного воды, трудно размешать, если вы стараетесь делать это быстро, но дело пойдет лучше, если размешивать его медленно?

Почему жвачка для рук из кремнийорганического полимера (силикона) или игрушка лизун (слайм) из желеобразного материала на основе поливинилового спирта ведут себя как твердые тела, если по ним ударить; достаточно упруги, когда их бросают на пол; и стекают по вертикальной поверхности, как жидкость?

ОТВЕТ • Необычные свойства этих разных жидкостей связаны с их вязкостью, мерой текучести жидкости, показывающей, насколько легко преодолевается сопротивление перемещению одних слоев жидкости относительно других. Например, вязкость холодной патоки очень высока и течет она медленно, тогда как у воды вязкость небольшая и течет она быстро. Вязкость большинства жидкостей зависит от температуры, но при заданной температуре их вязкость постоянна. Говорят, что это ньютоновские жидкости.

К другому классу относятся неньютоновские жидкости. Название указывает на то, что их вязкость определяется не только температурой, но также зависит от того, что привело к течению. Кетчуп – пример такой жидкости. Если какое-то время он стоит спокойно, вязкость его высока, и поэтому вылить кетчуп через небольшое отверстие сложно. Однако если несколько секунд размешивать или трясти кетчуп, его вязкость заметно падает. И поэтому, чтобы кетчуп лился из бутылки, ее надо несколько раз встряхнуть. При встряхивании одни слои жидкости скользят относительно других, и такое относительное движение (так называемый сдвиг), вероятно, приводит к распутыванию входящих в состав кетчупа молекул в виде длинных цепочек, до того спутанных в клубок. После этого кетчуп течет легко. Если сдвиг способствует уменьшению вязкости жидкости, говорят, что это псевдопластичная жидкость.

Чернила в шариковой ручке, однослойная краска и масло – все это псевдопластичные жидкости. Когда вы на эти жидкости нажимаете и пытаетесь заставить их двигаться – шариком ручки, кистью или ножом, – вы уменьшаете их вязкость и они начинают течь сравнительно легко. Как только воздействие прекращается, вязкость опять становится слишком большой и течь такие жидкости не могут.

Густой раствор крахмала в воде является загустителем, поскольку в этой жидкости относительное движение приводит к увеличению вязкости. Такие жидкости называют дилатантными. (К разбавленному раствору крахмала в воде это не относится.) Если ударить по густому раствору крахмала ладонью, относительное движение слоев жидкости мгновенно так увеличит вязкость, что этот раствор станет практически недеформируемым, и всплеска уж точно не будет, хотя почти сразу вязкость уменьшается и смесь опять может течь. Мгновенное увеличение вязкости происходит, по-видимому, из-за того, что молекулы крахмала ориентируются в направлении, перпендикулярном направлению течения, и тормозят его. Как только прекращается воздействие, затрудняющее течение, ориентация молекул снова становится произвольной. Если пригоршню такого густого раствора бросить на пол, в момент удара он поведет себя как твердое тело, но затем сразу растечется по полу. Если погрузить туда достаточно большой стержень или ложку, а затем рывком поднять ее вверх, возможно, удастся на мгновение поднять и раствор крахмала, и кастрюлю, в которой он находится.

Жвачка для рук и лизун тоже сделаны из вязких неньютоновских жидкостей. Положите эти игрушки на край стола так, чтобы они с него слегка свисали. Под действием направленной вниз силы тяжести они будут потихоньку стекать вниз. Если, как при ударе, на них действует большая по величине кратковременная сила, они напоминают упругий мячик: в этом случае длинные молекулы этих материалов свернуты в спираль и ведут себя как пружинки. Например, если неожиданно потянуть в разные стороны за два конца полоски из жвачки для рук, она разломится примерно так, как разломился бы металлический стержень, который тянут в разные стороны. А еще и жвачку, и лизун можно резать ножницами. Когда лезвия резко надавливают на эти жидкости, сдвигая их слои, они становятся твердыми и хрупкими.

Еще один интересный эффект можно наблюдать, если проталкивать жвачку для рук через узкую трубочку. Когда она появится с другого конца, мы увидим, что площадь ее поперечного сечения увеличилась. Это так называемый эффект Баруса – разбухание струи, выходящей из капилляра при продавливании растворов полимеров. Он обусловлен тем, что длинные молекулы полимера возвращаются в исходное состояние, после того как он был сжат при протягивании через трубку.

Некоторые неньютоновские жидкости могут откачивать сами себя из сосуда. Если часть такой жидкости вы подтянете к краю лабораторного стакана, а затем перекинете через край, она потечет по внешней стороне стакана, поднимая и перекачивая через край оставшуюся жидкость.

2.59. Суп, вращающийся в обратную сторону

Почему, если начать размешивать некоторые консервированные супы, например томатный, а потом вытащить ложку, последние несколько секунд до остановки он будет вращаться в противоположном направлении? Чтобы это увидеть, добавьте сначала в концентрированный томатный суп немного воды (меньше, чем указано в инструкции). Затем проведите испытание, освещая поверхность супа.

ОТВЕТ • Размешивая суп, вы не только прикладываете усилие к ложке, двигая ею в супе, но и вынуждаете различные слои супа двигаться друг относительно друга. Относительное движение, так называемое сдвиговое течение, приводит к разматыванию длинных молекул, которые в нормальном состоянии скручены в спираль. Когда движение ложки и сдвиговое течение останавливаются, молекулы сразу стремятся свернуться обратно в спиральки, меняя направление вращения, как если бы суп был упругим веществом.

2.60. Скачущая струйка жидкости

Пустите шампунь для волос или жидкое мыло для рук тоненькой струйкой на плоскую поверхность. У ее основания образуется небольшое возвышение, которое затем растекается лужицей. Почему, если некоторые жидкости лить с определенной высоты, струя, попадая на поверхность, иногда отскакивает далеко в сторону?

ОТВЕТ • «Прыгучие» шампуни относятся к так называемым вязкоупругим жидкостям: они одновременно и вязкие (внутреннее трение препятствует их движению), и упругие (ведут себя как резиновая пленка). Вязкость шампуня достаточно велика, когда он медленно движется в льющейся струйке и внутри возвышения. Однако, когда струйка попадает на возвышение, соударение создает сдвиг, благодаря чему один вязкий слой быстро движется по другому вязкому слою. Такое движение уменьшает вязкость в этом месте струйки. Поскольку жидкость упругая, неожиданное уменьшение вязкости позволяет сталкивающимся объемчикам отскакивать наподобие резиновых мячиков. Так струя образует широкую, растягивающуюся в сторону от струйки и возвышения петлю (рис. 2.18). Петля существует так недолго, что видна только ее верхняя часть и создается впечатление, что струйка шампуня отскакивает от возвышения в основании струйки.

Рис. 2.18 / Задача 2.60. Кажется, что струйка льющегося шампуня отскакивает от образовавшегося на поверхности возвышения.

2.61. Жидкость, взбирающаяся по стержню

Если вставить вращающийся стержень в сосуд с водой, вода начнет вращаться вокруг стержня, образуя направленную вниз воронку. Если заменить воду яичным белком, моторным маслом или некоторыми другими жидкостями, то они, вращаясь, начнут наматываться на стержень. Такое поведение жидкостей называется эффектом Вайсенберга.

ОТВЕТ • Поведение жидкостей обусловлено тем, что вращающийся стержень увлекает за собой жидкость. Чтобы представить себе, как происходит такое сдвиговое течение, положим, что слои жидкости заключены в цилиндрические оболочки с осью на оси стержня. При вращении стержень увлекает за собой внутреннюю оболочку. Эта оболочка скользит относительно следующей, заставляя вращаться и ее. Таким образом, оболочка за оболочкой жидкость втягивается во вращение. Поскольку движение связано с тянущими и скользящими усилиями, говорят, что оболочки испытывают действие сдвигающих напряжений. Когда речь идет о воде, уже через несколько слоев сдвиг практически не ощущается, и поэтому чем выше, тем вращение меньше. Однако есть жидкости, молекулы которых связаны друг с другом, образуя цепочки. Цепочки настолько перепутаны, что ведут себя как упругие полоски. Вращающийся стержень наматывает на себя такие «полоски», так что сначала они подтягиваются к стержню, а затем сдвигаются по нему вверх.

2.62. Бухта жидкого каната

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.

2.63. Волны на воде

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.

2.64. Гигантские одиночные волны и волны-убийцы

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.