Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

С виду вода и воздух очень разные, но при движении в скоростном потоке они ведут себя похоже. Мы объединяем жидкости и газы и называем их текучими средами. Наука, их изучающая, называется гидрогазодинамикой. Аэродинамика – ее подраздел, занимающийся изучением движения воздуха, в частности движения машин с минимальным сопротивлением. В текучих средах, в том числе воздухе, интересно то, что они могут течь либо «плавно», либо «турбулентно».

Плавное, безвихревое обтекание

Когда вы несетесь по шоссе на Ferrari, воздух обтекает его поверхность ровными изогнутыми линиями, известными под названием линий тока. Когда мы говорим, что машина «обтекаемая», то подразумеваем, что ее могут обтекать воздушные потоки и она имеет низкое сопротивление воздуху. Машина с идеальной аэродинамикой оставляет за собой воздушные потоки, которые не сильно отличаются от встречных воздушных потоков. При таком движении воздух обтекает автомашину почти параллельными потоками (слоями). Мы называем их ламинарными (состоящими из параллельных слоев, как ламинатные полы).

▲ Ламинарные воздушные потоки вокруг обтекаемой машины. Это потоки вокруг автомашины с обтекаемым корпусом, которые мы видим в аэродинамических трубах. Линии тока сжимаются над корпусом автомобиля, но снова расходятся на практически первоначальную величину за ним. К сожалению, несмотря на все старания дизайнеров, даже эти потоки несколько деформируются, особенно в нижней части за автомобилем.

У спортивных машин улучшенная управляемость за счет перераспределения воздушных потоков, которые их обтекают. На многих из них в передней части устанавливают «юбки передних бамперов» (которые предотвращают попадание ненужных потоков под автомобиль) или задние спойлеры (на багажнике или задней части автомобиля – сглаживают турбулентные завихрения за ним). У спорткаров «Формулы-1», оборудованных такими спойлерами, возникает большая прижимная сила. На скорости в 240 км/ч она составляет значения, вдвое превышающие собственный вес автомобиля. Поэтому часто говорят, что такие машины могут «ездить по потолку». Недостаток спойлеров в том, что они усиливают сопротивление воздуха. Но существуют различные подобные устройства, которые меняют угол наклона, позволяя при необходимости повышать прижимную силу машины или снижать аэродинамическое сопротивление.

Ровные ламинарные воздушные потоки можно видеть не только на примере автомобилей и вообще воздуха. Их также можно наблюдать на спускающихся в море красивых песчаных пляжах. После того как волны исчезают около берега и вода поднимается по песку вверх ровным потоком, вниз она сбегает несколькими параллельными слоями. Нижние могут стекать в море, а верхние – только направляться к берегу. При этом скорости у них разные. Это ламинарные потоки: слои воды скользят друг по другу, как прозрачные блестящие стекла, без видимых следов взаимодействия или смешения. Ламинарные потоки можно наблюдать и в медленно текущих реках. Их скорость растет от каменистого дна, где она минимальна, к более верхним слоям, где вода бежит быстрее.

Турбулентные потоки

Разумеется, и воздушные, и водные массы не всегда движутся ровно. Если вы едете в грузовике, а у него нет соответствующих устройств, сглаживающих воздушные потоки, его капот врезается в воздух и частично останавливает их, тогда как другие минуют его. В результате возникают завихрения воздуха, которые называются турбулентными потоками. Они организуются хаотически и создают для двигающихся мимо них объектов значительное сопротивление. Турбулентные завихрения получают энергию от вашего грузовика, поэтому и замедляют его. Их сопротивление буквально крадет у вас энергию.

Если вы хороший пловец кролем, вы знаете, что лучшая техника – вытянуть тело и сделать его максимально обтекаемым, чтобы оно создавало в воде как можно меньше завихрений. Если вы поднимете голову и не выпрямите спину, то создадите вокруг себя турбулентные потоки, которые будут замедлять ваше движение, крадя у вас энергию и приводя к усталости. Плавать на открытой воде труднее, чем в бассейне, потому что к течениям добавляются ветер и волны, которые повышают турбулентность потока. По моему опыту, когда вы плывете в открытом море, положение вашего тела уже не играет такую важную роль[254].