Новый физический фейерверк

2.29. Вода, образующая круг в раковине

Почему, когда вода из крана льется в плоскую раковину с открытым сливом, вокруг места ее удара о раковину образуется водяное кольцо, причем вне этого кольца вода глубже?

ОТВЕТ • Когда вода из крана ударяется о раковину, она растекается в радиальном направлении со скоростью, которую называют сверхкритической. Так говорят, поскольку вода движется быстрее, чем волны, которые могут распространяться по воде. Вначале поток стабилен: любые случайные возмущения быстро затухают. Однако по мере того, как вода растекается, ее вязкость начинает играть существенную роль, и поток становится неустойчивым. Происходящее можно описать следующим образом. На дне раковины возникает вязкий поток, постепенно распространяющийся вверх. На определенном расстоянии от точки, где струя ударяется о раковину, вязкий поток достигает поверхности воды, и ее глубина неожиданно увеличивается. Этот эффект известен как гидравлический скачок (рис. 2.11). За образовавшейся водяной стенкой скорость воды меньше (докритическая скорость). Таким образом, гидравлический скачок — переход от более быстрого и мелкого потока к более медленному и глубокому.

Рис. 2.11 / Задача 2.29. Водяное кольцо вокруг падающей в раковину струи.

С гидравлическим скачком приходится иметь дело часто. Например, когда вода течет по подъездной дорожке или вдоль бордюра тротуара, в дренажных трубах и наклонных ирригационных каналах. Обратите внимание на стоячую волну, образующуюся там, где на пути потока воды есть препятствие. Когда вода обтекает препятствие или течет поверх него, образуются волны. Большинство из них просто затухают, теряя энергию, но волна определенной длины распространяется против течения со скоростью воды в потоке. Это стоячая волна. Препятствие непрерывно нарушает спокойное течение потока, а вызванные им волны «подпитывают» воду энергией, поддерживая стоячую волну. В отличие от раковины, где есть только одно возвышение, в стоячей волне возможны несколько неподвижных гребней и впадин. При сплаве на плоту по реке с порогами гидродинамический скачок бывает опасен: если плот, перебираясь через стену воды и попав в водоворот, перевернется в бурном потоке, последствия могут оказаться серьезными.

Если в кухонной раковине каплю воды осторожно поместить чуть выше по потоку от места гидравлического скачка, она может попасть в ловушку перед образовавшейся водяной стенкой. Такая капля будет долго оставаться на плаву (не смешиваясь с остальной водой), поскольку ее поддерживает воздух, затягиваемый под каплю текущей водой.

В потоке вязкой жидкости, такой как антифриз (этиленгликоль), тоже возможно образование круговой стенки при гидравлическом скачке, но в этом случае она может самопроизвольно трансформироваться в многоугольник с прямыми сторонами и закругленными вершинами.

2.30. Уровень воды в канале

Предположим, вы плывете на лодке по достаточно узкому и мелкому каналу. Что происходит с уровнем воды вблизи стенок канала, когда мимо проходит нос лодки? Уровень воды там повышается или понижается?

ОТВЕТ • Вода перед плывущей вдоль канала лодкой должна протиснуться через узкое свободное пространство между ее бортами и стенами канала. Движение воды возможно благодаря тому, что нос лодки все время погружен в воду. При этом вода оттесняется от передней части лодки, скорость ее увеличивается, а давление уменьшается. Таким образом, когда лодка плывет вдоль канала, уровень воды между стенками и носом лодки понижается. Это называется канальным эффектом. Возникающие изменения напора воды и скорости потока вдоль бортов судна могут сильно осложнять судоходство по каналам, влиять на работу оборудования на стенках канала и его ответвлениях.

2.31. Солитоны

В 1834 году британский инженер и кораблестроитель Джон Скотт Рассел наблюдал необычную волну на канале близ Эдинбурга. По узкому каналу лошади быстро тянули баржу, а затем и лошади, и баржа внезапно остановились. Но водяной вал, образовавшийся около носа баржи, продолжал двигаться вдоль канала со скоростью примерно 4 м/с. Около трех километров Рассел верхом на лошади гнался за этой «водяной горой» около метра высотой и примерно десяти метров шириной (от края до края канала). Затем «в изгибах канала» он потерял ее из виду. Рассел был поражен: распространяясь, волна, казалось, не уменьшалась в размерах. Волны в возмущенном потоке достаточно быстро уменьшаются в размерах и, уж конечно, не будут катиться несколько километров даже на широких водных просторах. Что же такое особенное было в волнах Рассела?