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

Бермудский треугольник: мифы и реальность

Грюндеры и грюндерство

Обычное в необычном (Энциклопедия чудес. Книга первая)

Парадокс XX века

Ум хорошо...

Этюды о Вселенной

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