Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

И ламинарные, и турбулентные потоки активно используются в кухонных блендерах. Большинство таких машин очень мощные и легко превращают овощи в пюре и супы. Мой ручной блендер имеет мощность 700 Вт. Это чуть меньше, чем у моей большой стиральной машины. Многие из нас не очень хорошо представляют себе, что такое 700 Вт, но если вы изучите табл. 2, то увидите, что это в 70 раз больше мощности, которую вы развиваете (не без усилий) с помощью пусковой рукоятки. Однако такие блендеры или даже более мощные настольные иногда не могут мелко порубить какие-то продукты. Вместо того чтобы измельчить, скажем, морковь в единообразную субстанцию, они режут и режут ее на всё более тонкие кружочки. Почему? Потому что, как только блендеры начинают резать овощ, содержащаяся в нем жидкость начинает вращаться с той же скоростью, и машина просто перемешивает ламинарные потоки. Если вы хотите, чтобы блендер обрабатывал продукты эффективнее, стоит работать с ним импульсами, включая и выключая мотор. Пульсация создает более хаотичные, турбулентные потоки, в которых упрямая морковка будет падать на ножи и измельчаться, а не вращаться вместе с ними по стенкам блендера, подобно оранжевым мотоциклистам, ездящим по вертикальным стенкам в цирке.

Если вы будете очень осторожны и осмотрительны, то с помощью блендеров можно продемонстрировать ряд интересных опытов с гидродинамикой. Наполните высокий стакан или специальный прозрачный пластиковый мерный стакан блендера до половины водой и опустите в нее работающий блендер. Очень осторожно (еще раз подчеркну это, потому что эти кухонные устройства очень опасные) поднимите сосуд с водой повыше и посмотрите, что будет происходить с ней по мере того, как вы будете включать и выключать мотор. Вы увидите необычные вихревые потоки воды, а также зарождающиеся большие воздушные пузыри, которые будут вращаться вместе с водой и исчезать. Если блендер достаточно мощный, вы увидите, что он создает достаточный импеллерный (самовсасывающий) эффект, чтобы держать вес контейнера с водой. Когда вы включите блендер и он наберет максимальные обороты, попробуйте осторожно приподнять его. Возможно, у вас всё получится и мерный стакан с водой поднимется вслед за блендером.

Вместе с потоком

Доводилось ли вам внимательно наблюдать за струей воды, вытекающей из крана? Откройте кран, чтобы вода текла широкой струей, а затем чуть подкрутите его в обратном направлении. Обратите внимание на то, что струя воды у крана шире, чем у слива. Задумывались ли вы, почему так происходит? Вода практически несжимаема, поэтому такой же ее объем, который вытекает из крана за секунду, должен поступать за секунду и в слив. При падении вода ускоряет движение под действием силы земного притяжения, так что нижняя часть потока имеет более высокую скорость, чем верхняя. Чтобы количество воды в обеих точках было одинаковым, нижняя часть струи должна быть значительно тоньше верхней, иначе в слив будет попадать больше воды, чем покинуло кран. В науке это явление называется уравнением непрерывности. Оно означает, что количество воды, протекающее в данной точке за какой-то отрезок времени, всегда постоянно.

▲ Непрерывность потока воды из крана. Вода ближе к сливу движется быстрее, чем у отверстия крана, так что диаметр потока внизу должен быть меньше. Иначе в слив будет попадать больше воды, чем вытекло из крана.

Исходя из этого же принципа, если газ или жидкость начинают течь по более узкому руслу, их скорость должна возрасти. Если вы осторожно надавливаете на рукоятку шприца, жидкость красивым фонтаном вырывается из его тонкой иглы. Если вы приладите к шприцу шланг с водой, то можете получить постоянную и дальнобойную струю жидкости. Так работают моющие машины (для подачи воды под давлением в них используются электрические или бензиновые двигатели). Шприцы и моющие машины не создают воду из воздуха: на входе толстого конца шланга ее поступает столько же, сколько на выходе из тонкого конца. Это также объясняет, почему ветер дует быстрее в обрамленных деревьями аллеях и на улицах с высокими домами. Они работают как шприцы, и ветер набирает скорость по мере того, как движется по узким проходам между деревьями и зданиями.

Иногда, на свою беду, архитекторы забывают об опасности этих явлений. Вихревые потоки не только быстро вращаются вокруг домов. Скоростной ветер может даже сбивать пешеходов с ног.