Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Препринт / Научные развлечения
Начало сайта / Препринт / Научные развлечения

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Безумные идеи

Время, хранимое как драгоценность

Магнит за три тысячелетия

Популярная библиотека химических элементов

Смотри в корень!

Яды – вчера и сегодня

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

От стакана с чаем до Бермудского треугольника

М. Рац

Мы опишем (лишь качественно) результаты опыта, который легко может проделать каждый. Потребуется довольно незамысловатый инвентарь – кастрюля и проигрыватель для грампластинок. Мы не станем утомлять читателя исчерпывающим объяснением тех явлений, которые нам удалось наблюдать, – найти такое объяснение, вообще говоря, не просто. Итак, мы взяли кастрюлю с водой и бросили в нее несколько чаинок спитого чая. Закрутив воду (с помощью столовой ложки), мы убедились, что вращение быстро стабилизировалось – вода со взвешенными в ней чаинками стала вращаться как единое целое, Мы условно разделили все чаинки на две группы – «быстрые» и «медленные», и тогда можно было заметить, что «медленные» перемещались к центру кастрюли, а «быстрые» – к ее периферии. Такое перемещение чаинок происходило до тех пор, пока все они не приобрели одинаковой угловой скорости (равной скорости элементов жидкости). Это и означало, что вращение стабилизировалось. В дальнейшем чаинки двигались по окружностям, одновременно опускаясь вниз, а достигнув дна, перемещались к центру. Опускание чаинок на дно можно, разумеется, объяснить действием силы тяжести, но тогда в невесомости они должны двигаться по окружностям, не смещаясь вдоль оси вращения.

В чем причины такого поведения чаинок?

Когда мы раскручиваем цилиндр, то жидкость благодаря вязкости постоянно вовлекается во вращение с возрастающей угловой скоростью. Постепенно ускоренные слои жидкости достигают вращающихся чаинок, и тут проявляет себя то обстоятельство, что вода и чаинки имеют разную плотность. Плотность чаинок больше, а значит, их труднее вовлекать в ускоренное движение, чем расположенные рядом слои жидкости, Чаинки отстают от окружающей их жидкости и, следовательно, перемещаются к оси цилиндра, Если же цилиндр – наша кастрюля – не ускоряется, а тормозится, то все будет происходить наоборот. Такое перемещение к оси цилиндра или его периферии с «выключенной» гравитацией мы условно назвали «космическим эффектом», или «эффектом стенок».

А теперь снова вернемся на землю. «Включив» гравитацию, мы убедимся в существовании сугубо земного эффекта или «эффекта дна». Поставим нашу кастрюлю (или какой-нибудь другой цилиндрический сосуд с чаем) на диск проигрывателя и проследим за поведением чаинок на различных этапах вращения: во время раскручивания, равномерного вращения и торможения. Все эти стадии легко различить, например, с помощью «буйка» – плавающего обломка спички: о том, что жидкость начинает вращаться равномерно, будет свидетельствовать движение сосуда, воды и спички как единого целого.

Включив проигрыватель, мы заметим, что при раскручивании диска чаинки сразу переместятся к периферии, а при его торможении – к центру. При равномерном вращении чаинки не перемещаются, и в этом легко убедиться, бросив несколько добавочных чаинок в равномерно вращающийся сосуд. Опустившись на дно, они продолжают вращаться на неизменных расстояниях от оси.

А вот при раскручивании и торможении «земной» эффект противоположен «космическому». В частности, при ускоренном вращении чаинки перемещаются к стенке сосуда В чем тут дело? Мы внимательно понаблюдали за поведением чаинок и пришли к заключению, что важную роль играют силы трения их о дно. Например, при раскручивании диска чаинки сразу же начинают вовлекаться этим трением во вращение (жидкость, конечно, тоже увлекается дном, но лишь в пограничном слое, толщина которого незначительна). В результате центр масс каждой из чаинок обгоняет расположенные по соседству элементы жидкости, и чаинки перемещаются к периферии. Перемещения в противоположном направлении, к центру, мы наблюдаем при торможении, в частности после перемешивания чая, – ведь в этом повседневном для многих из нас опыте чаинки не разгоняются, а тормозятся.

Явления, сопровождающие движение твердых частичек во вращающейся жидкости, можно наблюдать с помощью выпущенного Тульским оружейным заводом гидродинамического волчка (см. фото). Этот «сувенир для любознательных» был создан конструктором завода, дважды лауреатом премии имени С.И. Мосина энтузиастом науки Н.И. Коровяковым. В описании сувенира сказано: «В момент запуска волчка происходит приближение частиц к его центру, а затем они расходятся к стенкам. При торможении волчка частицы перемещаются к центру в строгой последовательности: первыми центра достигают самые тяжелые, последними – более легкие». В этом описании опущен первый этап: перемещение частиц к периферии в момент запуска волчка.

Такое двойственное поведение частиц объясняется воздействием, с учетом сил тяготения, обоих эффектов – и дна и стенок. Как мы уже видели, влияние «космического» и «земного» эффектов на твердые частицы противоположно.

Обратим теперь внимание еще на одно свойство вращающейся жидкости. До сих пор мы полностью игнорировали взаимодействие между водой и дном вращающегося сосуда Но ведь в пограничном слое у основания цилиндра молекулы жидкости должны двигаться так же. как и твердые частицы: при раскручивании дрейфовать к стенкам, а при торможении – к оси вращения. При этом дефицит или избыток жидкости вызывает в ней перераспределение давления. Возникают так называемые вторичные течения. И тут мы наталкиваемся на практическую значимость задачи о движении тела во вращающейся жидкости. Представим себе, что где-то в океане образовалась гигантская воронка – водоворот. Все взвешенные и плавающие на поверхности частицы вращаются вместе с массой воды (такими «частицами» могут оказаться океанские суда). Тела, обгоняющие воду, перемещаются к периферии водоворота, отстающие – к его центру. Если в воронку попадает корабль, то его торможение относительно всей вращающейся массы будет определяться курсом судна, направлением и силой ветра, а также вторичными течениями. Подобно чаинке в стакане, корабль может смещаться к центру вращения, и дальнейшая судьба судна будет зависеть от интенсивности вертикального течения. Никто не может поручиться, что эта судьба не окажется плачевной...

 

Ранее опубликовано:

«Наука и жизнь», №5, 1987.

Дата публикации:

26 мая 2001 года

Электронная версия:

© НиТ. Препринт, 1997

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика