Читать онлайн «Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого». Страница 18

Проявления этой силы можно заметить в воде только в условиях регулируемого эксперимента – например, в симметричной емкости с низким трением в случае жесткого контроля термических потоков, после того как вода день или более постояла в емкости и затихли все остаточные колебания, вызванные наполнением.

Реймонд Холл

По электронной почте, без обратного адреса

Ответ на вопрос не совсем корректен. Действительно, спираль вытекающего молока – частица водоворота, образующегося внутри пакета, но автор ответа ошибся, полагая, что сам водоворот возникает из-за эффекта Кориолиса.

На самом деле причина – «эффект фигуриста». Любое воздействие на пакет с молоком приводит содержащуюся в нем жидкость в движение в том или ином направлении. Когда жидкость вытекает через отверстие, в ней сохраняется угловой момент. Это значит, что струйка небольшого диаметра вращается быстрее – так фигуристы ускоряют вращение, прижимая руки к телу. Вот почему молочная спираль, вытекающая из маленьких отверстий, скручена сильнее.

Соня Легг

Калифорния, США

«Когда я открываю картонный пакет молока, мне приходится быстро наклонять его, чтобы наполнить стакан. Если наклонять пакет слишком медленно, молоко вытечет из пакета, получится лужа. Так же обстоит дело с апельсиновым соком и другими жидкостями. Почему при медленном наливании струйка течет по пакету?»

Том Хан

Брэдфорд, Западный Йоркшир, Великобритания

Когда мы наклоняем пакет с жидкостью, чтобы налить ее в стакан, свободная поверхность жидкости в пакете поднимается в сторону отверстия. При этом возникает перепад давлений между свободной поверхностью и отверстием, благодаря чему жидкость вытекает из пакета. Вдобавок к давлению есть также силы поверхностного натяжения, действующие на жидкость и подтягивающие ее к поверхности пакета. При высокой скорости вытекания давление гораздо больше силы поверхностного натяжения, и жидкость вытекает из пакета, как положено, образуя предсказуемую изогнутую (параболическую) струю, падающую в подставленный стакан.

Но при низкой скорости истечения наступает момент, когда сил поверхностного натяжения оказывается достаточно, чтобы изменить траекторию движения жидкости: она уже не падает из отверстия, а «прилипает» к поверхности пакета снаружи (при условии, что это картонная коробка с плоским верхом). Притянутая к поверхности струя жидкости останется таковой из-за сил поверхностного натяжения и явления, которое называется эффектом Коандэ. Он наблюдается, когда жидкость течет по выпуклой поверхности (например, вода из-под крана огибает поверхность ложки) и создает внутреннее давление, вызывающее «прилипание» струи к поверхности.

Совместного действия сил поверхностного натяжения и эффекта Коандэ обычно достаточно, чтобы заставить струю жидкости огибать верхнюю поверхность коробки и стекать по ее боку, таким образом обеспечивая максимальное попадание жидкости из пакета вам на ноги.

Эксперименты показали: когда пакет полный, «подсасывание», наблюдаемое при втягивании воздуха взамен вытекшей жидкости, усиливает колебания струи и приводит к периодическому «прилипанию» струи (и увлажнению ног), даже при сравнительно большой скорости истечения.

Билл Кроутер

Аэрокосмическое отделение,

Университет Манчестера, Великобритания

Эффект Коандэ, или «прилипания», назван в честь румынского изобретателя Анри Коандэ (1886–1972), создавшего реактивный самолет с двумя камерами сгорания, по одной с каждой стороны фюзеляжа, направленными вниз и расположенными ближе к передней части самолета. К его ужасу, при взлете струи пламени, вместо того чтобы оставаться прямыми, «прилипли» к фюзеляжу до самого хвоста. Правда, благодаря этому эффекту имя изобретателя было увековечено.

Примерно 30 лет назад явление «прилипания» к стенкам было использовано при разработке автоматических систем управления (струйная техника), в которых маленькая струйка жидкости заставляла главный поток отклоняться от стенки и изменять направление движения. После этого поток «прилипал» к другой стенке.

Джон Уортингтон

Стоурбридж, Западный Мидлендс, Великобритания

Подробнее о Коандэ и первом настоящем реактивном самолете, созданном в 1910 году, можно узнать на сайте www.allstar.fiu.edu/aero/coanda.htm. В следующем ответе описывается простая демонстрация этого эффекта. – Ред.

Этот эффект возникает вследствие общего свойства текущих жидкостей обтекать поверхности и «прилипать» к ним. Можно провести любопытный эксперимент: возьмите вертикальный цилиндр (вымытую бутылку, например, из-под вина) и поместите за ним зажженную свечу. Если стукнуть по бутылке, свеча погаснет из-за потока воздуха, образовавшегося вокруг нее.

Ричард Ханн

Ипсвич, Суффолк, Великобритания

«Недавно я купил упаковку яиц, производители которых гарантировали, что в каждом яйце по два желтка. Они не обманули. Как сделать так, чтобы в яйце было два желтка?»

Джон Крокер

Солихалл, Западный Мидлендс, Великобритания

Эти яйца – природный феномен, которым мы не управляем. Двухжелтковые яйца крупнее тех, которые откладывает большинство птиц, их проверяют отдельно от остальных. Спрос на двухжелтковые яйца превышает предложение, нам приходится подвергать яйца тщательной проверке, чтобы убедиться, что в каждом имеется по два желтка. Каждое яйцо рассматривают на свету. При этом процессе (его до сих пор называют просвечиванием – еще с тех времен, когда источником света служили свечи) желтки отчетливо видны в виде теней.

Грэм Муир

Компания Stonegate Farmers Limited,

Хейлшем, Суссекс, Великобритания

Попробуйте повторить этот опыт в домашних условиях, и вы увидите все, что находится внутри яйца. – Ред.

«Когда я рассматриваю поверхность масла в сковороде в отраженном свете, на поверхности масла, которое греется на газу, появляется узор, похожий на соты. Размер этих сот меньше всего там, где слой масла самый тонкий. Почему?»

Рекс Уотсон

Бродстоун, Дорсет, Великобритания

Похожие на соты ячейки, появляющиеся в нагретом масле, известны под названием конвективных ячеек Рэлея–Бенара. При небольшой разнице температур между нижним и верхним слоями масла тепло распространяется путем обычной теплопередачи (столкновение отдельных молекул) и никакого макроскопического движения не наблюдается. Если разница температур возрастает, конвекция (общее явление с участием множества молекул) становится более эффективным средством для переноса тепловой энергии. Нагретое масло на дне не такое плотное, оно стремится всплыть. Верхний слой масла охлаждается при контакте с воздухом и снова погружается. Это движение становится кругообразным, при нем возникают вальцы жидкости, которые сами упорядочиваются и образуют заметный узор, напоминающий соты.

Это явление было тщательно исследовано, тем более что повторить его можно в домашних условиях, поэтому теперь мы знаем, почему конвективные ячейки напоминают соты. Форма конвективных вальцов зависит от формы сосуда, в котором нагревается жидкость. В круглых сковородах легко образуются шестиугольные фигуры. В емкостях другой формы могут возникнуть удлиненные и прямоугольные вальцы с квадратным поперечным сечением.

При кругообразном движении жидкости (вверх, по поверхности, вниз, по дну) размер ячеек общего рисунка связан линейной зависимостью с толщиной слоя жидкости. Интересно, что если многие параметры можно определить, например размер конвективной ячейки, то направление кругообразного движения при возникновении конвекции остается неопределенным. После того как вращение установится (по часовой или против часовой стрелки), оно остается стабильным.

Бернд Эгген

Университет Эксетера,

Девон, Великобритания

Примерно через 20 минут после начала нагревания начинается по-настоящему интересная фаза конвекции. Перепады температур в слое масла достигают определенной критической величины, выясняется, что каждый из многочисленных рассеянных конвективных потоков в масле лучше сохраняет энергию, если делит зону нисходящего тока с непосредственными соседями. Сложности с противотоком исчезают. Такое совместное перераспределение очагов конвекции приводит к образованию рисунка плотных конвективных ячеек. Они имеют вид медовых сот для того, чтобы площадь соприкосновения со стенками соседних ячеек была максимальной.

Ввиду таких совместных действий ячеек конвекция значительно усиливается, восходящий поток горячего масла образует маленький фонтанчик в центре каждой ячейки. Сила, благодаря которой сохраняется рисунок ячеек, несмотря на механические и термические препятствия, – поток тепловой энергии, проходящий вверх через слой масла. Точно так же биологической системе необходимо распределение энергии (в данном случае пищевой) для сохранения целостности.