Новый физический фейерверк

Луговые собачки — грызуны, очень многочисленные как на безлюдных равнинах северо-запада Соединенных Штатов, так и во многих заселенных районах. На глубине от 1 до 5 м они строят длинные подземные коридоры, соединяющие несколько входов. Поскольку ветер в эти лабиринты не задувает, они совершенно не проветриваются. Почему же луговые собачки не задыхаются в своих норах?

Муравьи-листорезы (их еще называют муравьи-грибоводы) строят под землей гигантские муравейники глубиной до 6 м, где обитает порядка пяти миллионов муравьев. Этим муравьям не только приходится дышать внутри сложного лабиринта из подземных переходов, но и разводить специальный грибок, которым они кормят своих личинок. Для этого требуется не только кислород, но и поддержание температуры не выше 30°C. Активная деятельность муравьев внутри муравейника вполне может привести к нарушению температурного режима. Как же вентилируются такие муравейники и как муравьям удается контролировать и количество кислорода, и температуру?

ОТВЕТ • Вокруг каждого входа в свое жилище луговая собачка сооружает холмик. Обычно у одного входа он скругленный куполообразный, а у другого — более крутой, в форме конуса (рис. 2.8). Холмики сложены из материала, извлеченного при строительстве лабиринта, и поверхностного грунта. Они содержатся в полной исправности и служат зверькам наблюдательным пунктом, но основное их предназначение — вентиляция подземных коридоров. Когда воздушный поток дует над норой, его скорость оказывается разной над разными отверстиями. Причем она больше над тем отверстием, которое венчает более высокий холмик. С увеличением скорости потока в нем уменьшается давление (согласно уравнению Бернулли), поэтому давления над отверстиями оказываются разными и воздух в подземном тоннеле протягивается со стороны большего давления в сторону меньшего, то есть от низкого холмика в сторону более высокого.

Рис. 2.8 / Задача 2.22. Воздушный поток, проходящий через два входа норы луговой собачки.

Этот надежный способ снабжения подземного жилища свежим воздухом с высоким содержанием кислорода позволяет зверькам не задохнуться.

Муравьи и грибы в гигантских муравейниках выделяют большое количество тепла, за счет чего воздух в муравейнике нагревается. Нагретый воздух стремится покинуть муравейник. Но муравейник слишком большой и сложный, поэтому так продуть его не получится. Как и лабиринт луговых собачек, муравейник вентилируется воздушным потоком, проходящим через отверстия на его поверхности.

2.23. Вихри в ванной

Почему, когда вода вытекает из ванной, она закручивается возле сливного отверстия, образуя вихрь? Каково направление такого вращения, по или против часовой стрелки? Если направление вращения зависит от того, в каком полушарии находится ванна, куда будет вращаться вода, если поместить ванну вблизи экватора? Стекает ли вода в воронку преимущественно сверху, как будто вихрь — водосточная труба, по которой сверху стекает вода? Что определяет глубину вихря? Это небольшое углубление на поверхности воды, заполненное воздухом, или столб воздуха, уходящий вниз в водосточную трубу? Почему иногда направление вращения неожиданно меняется на обратное в последние несколько минут до полного вытекания воды? Почему некоторые вихри в ванных издают звуки?

ОТВЕТ • Легенда о том, что в разных полушариях вода, вытекающая из ванной, закручивается в разных направлениях, основывается на общих представлениях о крупномасштабных круговых движениях атмосферы, например ураганах. Когда воздух перемещается над большим пространством, вращение Земли приводит к заметному отклонению воздушного потока в результате эффекта Кориолиса. В Северном полушарии подобные отклонения приводят к вращению воздуха против часовой стрелки, а в Южном полушарии вращение происходит по часовой стрелке.

Ванна и вытекающая из нее вода — система слишком маленького размера, где движение воды определяется другими силами, существенно превышающими силу Кориолиса. Направление вращения при вытекании задается главным образом тем, как вращалась вода, когда наполняли ванну или когда кто-то взбаламутил ее. Если при наполнении ванны преобладало, скажем, вращение по часовой стрелке, оно может ощущаться еще целый час или даже дольше. Если вода выливается, все еще вращаясь по часовой стрелке, вихрь над водостоком будет закручиваться тоже по часовой стрелке. Другие факторы, определяющие направление потока, — это несимметричная форма ванны или несимметричное расположение сливного отверстия, возмущение, связанное с выдергиванием пробки, разная температура воды на бортиках ванны (скажем, один бортик ближе к входу в ванную, а другой ближе к стене).