Другие гнущиеся листы, например лист бумаги, тоже можно заставить трепетать при постоянном ветре, если скорость движения воздуха превышает некоторое критическое значение, величина которого зависит от гибкости и материала листа.

Вероятно, любая падающая гибкая лента, утяжеленная с одного из концов, примет волнообразный вид. Волна распространяется вниз по ленте со скоростью, в два раза меньшей скорости падения ленты. Обычно чем длиннее лента, тем больше расстояния между выпуклостями на ленте. Скорее всего, волнообразный вид ленты связан с нестабильностью воздушного потока, вынужденного двигаться вместе с лентой, падающей через неподвижный воздух. Попросту говоря, изгибаются и сама лента, и захваченный ею воздушный поток.

У многих фонтанов есть край, через который вода стекает в бассейн в виде полотнища. Почему у некоторых фонтанов такое водяное полотнище трепещет с частотой несколько колебаний в секунду? Эти колебания порождают и колебания воздуха, но их частота несколько ниже той, при которой можно услышать звук.

Более мощные и более высокие струи формируются тогда, когда бурный поток воды выливается через специальные пропускные каналы в запруде или перетекает через нее и свободно падает в бассейн или ручей. Почему такие струи могут создать настолько громкий звук, что он воспринимается как грохот скоростных поездов?

Стоя около высокого водопада, вы ощущаете колебания почвы. Если проанализировать эти колебания, становится ясно, что частота основных колебаний зависит от высоты, с которой происходит свободное падение воды: чем больше эта высота, тем меньше частота. Почему водопад вызывает колебания почвы и почему их частота связана с высотой падения воды?

ОТВЕТ • Ключ к объяснению причины трепетания воды в фонтане — слой воздуха позади полотнища падающей воды. Когда небольшое случайное возмущение на верху водяного полотнища заставляет его слегка колебаться, в процессе падения воды это колебание может усилиться. Достигнув дна, колебание вызывает изменение давления воздуха в слое позади падающей воды. Сжимаясь и разжимаясь, слой воздуха передает это изменение на верх водяного полотнища: это положительная обратная связь, когда происходит самовозбуждение, усиливающее колебания. Хотя сначала этот процесс достаточно слабый и, возможно, даже незаметный, периодическое усиление и самовозбуждение поддерживают колебания, которые становятся весьма существенными. Однако такой круговой процесс имеет место только при определенной скорости течения, начальной скорости воды и толщине воздушного слоя. Поэтому не все водяные полотнища фонтанов трепещут.

Перетекающий через дамбу поток вызывает похожие колебания столба воды и воздуха между водой и дамбой. Инженеры-гидравлики называют такое движение воды колебаниями переливающейся струи. Часто дамбы строятся со специальными прерывателями струи. Они нарушают спокойное течение струи, чтобы предотвратить осцилляции, создавая более равномерную и плотную завесу из падающей воды.

В водопадах колебания и турбулентность воды при соударении с землей приводят к появлению звуковых волн, распространяющихся в объеме падающей воды. При определенных условиях эти звуковые волны входят в резонанс (то есть усиливают друг друга), и тогда колебания могут стать достаточно сильными. Это напоминает акустический резонанс в открытой с одного конца трубе, заполненной воздухом. Вблизи закрытого конца трубы молекулы воздуха не колеблются, а около открытого конца амплитуда колебаний максимальна. В звуке, издаваемом трубой, обычно преобладает так называемая собственная частота — самая низкая резонансная частота.

В струе водопада молекулы воды вообще не колеблются на вершине — там, где начинается падение воды, — а в самой низкой точке водопада они, наоборот, максимальны. Самые большие колебания соответствуют собственной частоте. Звуковые волны этой частоты распространяются в направлении от водопада по воздуху и по земле. Чем выше водопад, тем ниже собственная частота. Для большинства самых эффектных водопадов собственная частота слишком низкая, и человек не слышит звуковые волны, распространяющиеся по воздуху. Но он может ощутить их своим телом и почувствовать колебание земли под ногами.

Во многих декоративных водных устройствах, предназначенных как для улицы, так и для помещений, используются фонтаны, выбрасывающие струи воды вертикально вверх. Почему такие вертикальные струи воды пульсируют, даже если скорость потока воды постоянна? Вы можете одновременно видеть и слышать эту пульсацию.

ОТВЕТ • Когда впервые струя взмывает вверх, вода достигает максимальной высоты, которая определяется силой притяжения и начальной скоростью струи. С этой максимальной высоты вода падает на бьющую вверх струю, сплющивая ее верхушку и разрушая ее. Когда верхняя часть струи распадается на капли, струя восстанавливается и опять достигает максимальной высоты. А затем цикл повторяется: подъем, падение, сплющивание, восстановление. Этот периодически повторяющийся процесс можно устранить, если немного наклонить струю так, чтобы верхняя порция воды не попадала обратно на струю, или устроить препятствие, не позволяющее струе достигать максимальной высоты.

В широкий стакан с отвесными боковыми стенками нальем немного, не до самого края, воды. Вырежем из картона квадрат, которым можно прикрыть стакан сверху. Накроем стакан картонкой и, разведя пальцы как можно шире, прижмем ее одной рукой к краю стакана. Другой рукой быстро перевернем стакан. Теперь уберем руку с картонки. Направленная вниз гравитационная сила действует и на картон, и на воду, но и картонка остается на месте, и вода не выливается. Почему?

Если убрать картон или он сам чудесным образом исчезнет, вода выльется из стакана. Чем эта ситуация отличается от той, когда стакан закрыт картонкой? Почему, если сосуд узкий (например, флакон с духами), вода из него не вытечет?

Ярд для эля — название особого стакана для пива (рис. 2.37) высотой в один ярд, то есть чуть больше 90 см. (Существуют стаканы той же формы, но пониже.) Обычно, когда вы пьете из стакана, вы подносите его к губам и, контролируя процесс, наклоняете стакан так, чтобы немного жидкости вылилось в рот. Почему, если вы попробуете проделать то же самое с ярдом для эля, то прольете пиво на себя? Как правильно пить пиво из такого стакана?

Рис. 2.37 / Задача 2.120. Ярд для эля.

ОТВЕТ • Когда вы переворачиваете прикрытый картонкой стакан, столб воды немного опускается, благодаря чему понижается давление воздуха, оставшегося в стакане. Значит, сверху давление на воду в стакане меньше атмосферного давления снизу, и этой разности давлений достаточно, чтобы удержать ее в стакане. Можно быть уверенным, что вода опустилась, поскольку картонка прогнулась вниз. При контакте воды, картона и края стакана возможна еще и адгезия — сцепление поверхностей разнородных тел. Но, чтобы удержать воду, силы сцепления недостаточно. Если попробовать повторить этот опыт, но вместо картона взять какой-нибудь негнущийся материал, столб воды не сможет опуститься и вода просто разольется.