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

Поведение горячего масла на сковороде — классический пример конвекции Бенара, нестабильного движения жид­кости на нагреваемой ровной поверхности, которое при­водит к образованию в циркулирующей жидкости пра­вильных шестиугольных ячеек. Известно, что лорд Рэлей разработал теорию, объясняющую эту нестабильность. Но мало кто знает, что его теория была неверной.

Рэлей рассматривал горизонтальный слой жидкос­ти на нагреваемой плоской поверхности и подразумевал, что нестабильность принимает форму параллельных, вра­щающихся в противоположные стороны вальцов, движимых силами плавучести ввиду разной плотности жидкости. Затем в ходе рассуждении он пришел к выводу, что размер шестиугольных ячеек близок — по счастливой случайнос­ти — к размеру ячеек, наблюдаемых Бенаром. Кроме того, Рэлей предсказал минимальный перепад температур в слое при возникновении этого движения, но он оказался пример­но в 100 раз больше, чем перепад, который требовался для возникновения ячеечного потока в экспериментах Бенара.

Другие исследователи по-своему дополнили анализ Рэ-лея. Если не принимать верхнюю поверхность жидкости плоской, ясно, что она приподнята между соседними вос­ходящими вальцами и понижена над нисходящими пото­ками жидкости. Это явление прямо противоположно тому, которое наблюдал Бенар. Когда эксперимент Бенара пов­торили, оказалось, что ячейки также могут возникать при охлаждении нагреваемой поверхности, в то время как, со­гласно Рэлею, при этом жидкость должна находиться в по­кое. Нестабильность также наблюдалась в слое жидкости под поверхностью, нагреваемой сверху, и в пространстве, где величина силы притяжения, а следовательно, и сила плавучести равнялась нулю.

В конце 50-х годов XX века была разработана новая модель конвекции Бенара, в которой жидкость приво­дило в движение изменение поверхностного натяжения, вызванное перепадами температуры на поверхности жид­кости. Эта модель также позволяла предсказать пониже­ние поверхности жидкости над восходящими потоками. В реальных условиях должны присутствовать оба эффек­та — Бенара и Рэлея. Преобладание одного из них зависит от конкретных условий. Силы плавучести регулируют дви­жение в жидкости, когда у нее нет свободной поверхности или когда слой жидкости толще 10 мм; в противном случае поток регулируют силы поверхностного натяжения.

Какие бы движущие силы ни преобладали, они долж­ны быть достаточными, чтобы преодолеть сопротивление вязкости, препятствующее движению, и диффузию тепла внутри жидкости (которая сглаживает перепады температур) прежде, чем возникнет нестабильный поток. Для потоков, регулируемых силами плавучести, появление нестабильности определяется числом Рэлея: отношение сил плавучести к зависимости сопротивления вязкости от теплопереноса, в то время как для потоков, управляе­мых силами поверхностного натяжения, соответствующей переменной будет число Марангони, при котором силы по­верхностного натяжения заменяют силы плавучести.

В тонких слоях жидкости нестабильный поток прини­мает форму правильных рядов шестиугольных ячеек неза­висимо от формы сосуда. Для более толстого слоя жидкос­ти основной нестабильный поток представляет собой ряд вальцов, параллельных сторонам сосуда, с направлением потока вдоль края и зависимостью от относительной тем­пературы основания. Вальцы распадаются на многоуголь­ные (не обязательно шестиугольные) ячейки при росте пе­репада температур.

Ричард Холройд Кембридж, Великобритания

О черствости

«Почему печенье, оставленное на ночь без упаковки, к утру становится мягким, а французский багет, пролежавший без упаковки такое же время, твердеет так, что им мож­но убить?»

Лорна Холл

Бульон, Франция

В печенье содержится гораздо больше сахара и соли, чем в батоне. Измельченные сахар и соль гигроскопичны, они впитывают влагу из атмосферы, осмотическое давление в сладком печенье гораздо выше. Плотная текстура печенья создает капиллярный эффект и помогает удерживать влагу. В батоне мало соли и сахара, а структура мякиша откры­тая. Мука не реагирует на влажность в окружающей среде. Поскольку эти продукты делают по-разному, один притя­гивает воду, другой — нет. Попробуйте поставить опыт с разным печеньем — очень сладким, плотным или воз­душным, рыхлым и губчатым. «Показатель ночного про­питывания» увеличивается по мере роста плотности и со­держания сахара и соли. Я установил, что если положить в закрытую емкость итальянские бискотти (не очень слад­кие и довольно воздушные) и плотное сладкое имбирное печенье, бискотти станут каменно твердыми, а имбирное печенье останется мягким.

Крис Верной Квинана, Австралия