А вот еще одна, последняя, загадка: заполните достаточно узкий кувшин солью до половины, опустите туда шестигранную гайку и кнопку с пластиковой головкой (для доски объявлений). Если держать кувшин прямо и вертикально встряхивать, гайка останется на поверхности соли, а булавка зароется в нее и скроется из виду. Если же кувшин держать горизонтально и трясти тоже в горизонтальной плоскости, на поверхность соли выйдет булавка, тогда как гайка погрузится в соль.

Для защиты от лавин некоторые лыжники используют лавинный шар. Его упаковывают в рюкзак в сдутом виде. Заметив приближающуюся лавину, лыжник тянет за шнур и освобождает устройство, подающее в шар газообразный азот из баллона. Когда лавина захватывает лыжника, с шаром ему проще выбраться на поверхность движущейся массы снега, и его шансы выжить значительно выше. Почему лыжник двигается к поверхности лавины?

ОТВЕТ • Фактически лыжник с лавинным шаром в потоке снега — это бразильский орех во встряхиваемой банке с арахисом. Газ в шаре менее плотный, чем несущийся с лавиной снег, и, следовательно, присутствует направленная вверх подъемная сила. Но одной лишь этой силы недостаточно, чтобы вынести лыжника на поверхность снега. Он движется вверх еще и потому, что объем лыжника с прикрепленным к нему шаром увеличивается: бразильский орех (лыжник с надутым шаром) гораздо больше окружающих его орешков арахиса (комков снега).

Почему в пустыне или на дне реки образуется песчаная рябь (миниатюрные дюны)? Что в этом случае определяет длину волны, то есть среднее расстояние между отдельными песчаными холмиками? Как растения (например, пучки травы) меняют структуру этих волн? Почему рябь обычно не появляется на снежниках?

ОТВЕТ • Сильный ветер, дующий вдоль изначально плоского (и сухого) пласта песка, передвигает песчинки. Песчинки могут двигаться медленно, ползти по поверхности, а могут перемещаться скачками, подпрыгивая и сталкиваясь в потоке ветра. Если песчинка опускается на плоский песчаный пласт, она подскакивает опять, но если поверхность приподнята (случайно образовался холмик), песчинка может на этом месте застрять (рис. 2.34). Когда холмик подрастает, он собирает все больше песчинок и, кроме того, прикрывает от ветра песчинки с подветренной стороны. Однако песчинки, оказавшиеся чуть дальше от холмика в направлении движения ветра, могут продолжать прыжки до тех пор, пока не застрянут на следующем холмике. Растущий холмик круче с подветренной стороны, а его наветренная сторона более пологая. Пройдя через вершину холмика, воздушный поток разбивается на вихри с его подветренной стороны. Эти вихри направляют воздух вверх, забирают песок с подветренной стороны холмика, делая ее еще круче. Образовавшийся холмик сдвигается в направлении ветра, поскольку песчинки с наветренной стороны могут перескакивать через его вершину. Некоторые холмики двигаются быстрее других, они сливаются или, по крайней мере, сближаются настолько, что влияют друг на друга.

Рис. 2.34 / Задача 2.110. Скачки песчинок приводят к образованию песчаной ряби.

Проходят дни, недели, а может быть и годы, и постепенно образуется рябь, которую мы видим на песке. Раз появившись, песчаные холмики продолжают существовать благодаря ветру и скачкам песчинок. Конечно, если существенно изменятся направление и сила ветра, структура ряби изменится тоже.

Если над песком спокойно течет поток воды, рябь образуется значительно быстрее. В этом случае холмики можно заметить уже через несколько минут.

Поскольку вблизи растений воздушный поток разбивается на вихри (или небольшие смерчи), ориентация и расстояния между холмиками с наветренной и подветренной стороны, например куста, различны.

Снежинки тоже могут передвигаться по снежной поверхности. Однако есть две причины, по которым в этом случае рябь не образуется (или, по крайней мере, обычно не образуется или не столь заметна). 1. Снежинки обычно остаются там, куда они упали, независимо от того, есть там возвышение из снега или нет. 2. На снежном поле часто, особенно после солнечных дней, образуется ледяной наст, исключающий скачки. Однако до того, как образовался наст, сильный ветер может привести к появлению на снегу волновой структуры, особенно там, где с подветренной стороны какого-нибудь препятствия образуются вихри.

Почему образуются песчаные дюны? Как они могут двигаться? Когда сталкиваются две песчаные дюны, как могут они сначала объединиться, а потом разделиться? Как песчаная дюна может заставить другую дюну расступиться, чтобы освободить ей проход? На фотографиях со спутников видно, что в некоторых пустынях, например в Ливийской, дюны выстраиваются почти параллельно друг другу. Почему так происходит?

ОТВЕТ • Продольные дюны — длинные песчаные валы, ориентированные в направлении господствующих ветров. Барханы — дугообразные дюны, выгнутые в направлении, перпендикулярном ветру, а их «рога» (концы) вытянуты по ветру. Все дюны образуются из простой песчаной ряби и обязаны своим появлением способности ветра перетряхивать песчинки. Многие годы, а может быть и столетия, песчинки сгоняются в растущие холмы. Однажды образовавшийся холмик столь ревностно собирает песок, что рядом с ним другие холмики либо разрушаются, либо вообще не образуются.

Когда речь заходит о дюнах, вы, вероятно, представляете себе бархан (движущуюся дугообразную дюну), хотя они встречаются достаточно редко. Одиночный бархан постепенно движется по пустыне (или вдоль дорог и через небольшие деревушки), поскольку подхваченный ветром песок с наветренной стороны перебрасывается на подветренную сторону. Постепенно подветренная сторона бархана становится слишком крутой, затем происходит обвал, уносящий песок к основанию бархана, уменьшая угол наклона поверхности и так стабилизируя ее. Так год за годом бархан сдвигается в направлении ветра.

Барханы, которые можно видеть на аэрофотоснимках, часто расположены странным образом друг относительно друга: рог одного из барханов находится напротив центральной части другого (рис. 2.35a). Это связано с тем, как дюна, расположенная с наветренной стороны, меняет воздушный поток. По прошествии достаточно долгого времени поменявший направление ветер может изменить форму дюны с подветренной стороны, что и приводит к такой необычной картине.

Рис. 2.35 / Задача 2.111. a) Вид сверху на два бархана. б) Создается впечатление, что маленькая дюна проходит через большую.

За время человеческой жизни практически нельзя увидеть, как одна дюна обгоняет другую. Но если миниатюрные дюны образуются в потоке воды, все это займет считаные минуты. Взаимодействие двух дюн происходит из-за того, что дюна, находящаяся выше по течению, изменяет характер течения воды. Кажется, что вода размывает центр расположенной ниже по течению дюны, чтобы образовался проход. На самом деле маленькая дюна выше по течению сливается с большей дюной ниже по течению, а затем от нее отделяется новая маленькая дюна (рис. 2.35б). Создается впечатление, что маленькая дюна прошла сквозь большую.