Почему у пингвинов не мерзнут лапы? и еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого

«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.

Существенный рост перепада температур приводит к распаду узора ячеек, этот процесс делится на несколько ус­ложняющихся стадий и наконец становится хаотическим.

Роджер Керси Натли, Восточный Суссекс, Великобритания

Можно теоретически доказать, что наиболее эффектив­ный рисунок тока в жидкости с большой площадью по­верхности, в слое которой происходит перенос тепла со дна вверх, — шестиугольники, ширина которых равна толщине слоя жидкости. Горячая жидкость поднимается в центре ячеек, остывает на поверхности и затем погружа­ется на дно по периметру шестиугольника. Подобный узор ячеек можно увидеть в любом масштабе: от миллиметро­вых экспериментальных сосудов до поверхности Солнца.

Гэри Одди Крэнфилд, Бедфордшир, Великобритания

Выше читатели уже дали ответы на вопрос, но, как ука­зывает автор ответа, приведенного ниже, объяснения рэлеевской модели конвекции были не вполне корректными, поскольку эта модель применима лишь для нагревающейся жидкости достаточной глубины. — Ред.