Если картонка неожиданно исчезает, давление воздуха по-прежнему может удерживать воду в стакане. Ничего не меняется в наших рассуждениях о силах, поддерживающих столб воды. Однако теперь система неустойчива относительно любых возмущений, которые возбуждают волны, распространяющиеся вдоль поверхности соприкосновения воды и воздуха. На нижних участках (долинах) таких волн вода стремится опуститься вниз, на участках сверху (гребнях волны) воздух стремится продвинуться вверх. Одна из волн быстро нарастает, и воздух движется вверх по одной стороне стакана, а вода движется вниз по другой.

Двигающийся вверх воздух стремится оторваться от поверхности воды снизу и образовать пузырек, а двигающаяся вниз вода стремится оторваться от верхней поверхности и образовать каплю. Пока пузырек поднимается, а капля опускается, поверхность раздела «воздух — вода» стремится восстановить свою прежнюю форму, но она слишком неустойчива. Поэтому вверх один за другим поднимаются пузырьки воздуха, а вниз из стакана капают капли. Такой колебательный процесс опорожнения стакана по-английски называют glug-glug, используя звукоподражательный термин. На русский это можно перевести как «процесс буль-буль».

В узком сосуде поверхность воды нечувствительна к случайным возмущениям, потому что ее стабилизирует поверхностное натяжение. Именно сцепление молекул воды на поверхности со стенками стакана способно загасить волны, вызванные возмущением.

Когда пьют пиво из стакана ярд для эля, именно «процесс буль-буль», бульканье, может стать причиной неприятностей. Узкое горлышко стакана не позволяет воздуху легко подняться в стакан, чтобы жидкость могла выливаться. При этом нестабильность на поверхности раздела «жидкость — воздух» может неожиданно привести к образованию большого воздушного пузыря, который, поднявшись вверх, в стакан, позволит вылиться оттуда слишком большой порции жидкости, которую не удастся ни удержать во рту, ни быстро проглотить. Люди, умеющие мастерски управляться с ярдом для эля, знают, что, наклонив стакан, надо проворачивать его узкое горлышко между поднятыми вертикально вверх руками. При этом образуется воронка, приподнимающая жидкость вблизи стенок горлышка стакана, что позволяет воздуху проходить вдоль центральной оси. Теперь воздух легко попадает в стакан, а пьющий легко контролирует, сколько выливается жидкости.

Когда вода капает из водопроводного крана, как капле удается оторваться от оставшейся в кране воды? Отрыв капли происходит неожиданно или тянется достаточно долго?

ОТВЕТ • На открытом конце крана поверхностное натяжение формирует из стекающей воды искривленную поверхность. Когда количество воды увеличивается, появляется капля почти сферической формы, свисающая из крана. По достижении некоторого критического объема сила тяжести заставляет каплю упасть. Если сделать «замедленную съемку»[47] падения капли, можно увидеть, что какое-то время она связана с водой в кране быстро истончающимся цилиндрическим тросиком. Неожиданно на дне этого цилиндра образуется еще более тонкий тросик, который быстро рвется. Сразу после отрыва капля падает, причем ее поверхность осциллирует, а по оставшемуся цилиндру пробегают волны, быстро превращающиеся в крохотные капельки. Чаще эти капли отделяются от цилиндра и падают, но их может и затянуть обратно в кран.

Если вязкость жидкости больше вязкости воды, может образоваться еще много следующих один за другим все утончающихся цилиндриков, напоминающих толпы зверушек из книги Доктора Сьюза «Кот в шляпе»[48]. Это продолжается до тех пор, пока самый нижний и самый тонкий цилиндрик не разорвется. Вероятно, этот разрыв вызывает случайное возмущение — движение воздуха, дрожание крана или даже громкий звук.

Когда через пластмассовое колечко вы выдуваете мыльный пузырь, мыльная пленка превращается в изогнутую поверхность, которая увеличивается в размере, а затем отрывается от колечка. Внутренность колечка остается пустой. Мыльная пленка — незамкнутая поверхность. Как же из нее после отрыва от колечка образуется сплошной пузырь? Почему свободно парящий пузырь имеет сферическую форму? Если между двумя близко расположенными колечками образуется цилиндрическая пленка, какую форму она примет, если медленно увеличивать расстояние между колечками?

ОТВЕТ • Когда вы дуете в мыльную пленку на колечке и начинает расти пузырь, в какой-то момент вблизи ободка на пузыре образуется тонкая шейка, отрывающаяся от колечка. При разрушении шейки часть оставшейся на колечке пленки уплощается и затягивает колечко, а оторвавшаяся часть мыльной пленки быстро приобретает сферическую форму. Пузырь имеет форму сферы, поскольку давление внутри него должно быть всюду одинаковым и превосходить атмосферное давление, чтобы поверхностное натяжение не схлопнуло пузырь. Раз давление внутри пузыря одинаковое, везде должна быть одинаковой и кривизна его поверхности, а значит, форма пузыря должна быть сферической. Если пузырь большой, вес его стенок становится существенным и форма может отклониться от сферической.

Если мыльный пузырь растянуть между двумя близко расположенными одинаковыми твердыми дисками, образуется мыльный пузырь цилиндрической формы. Эта форма устойчива, поскольку любое случайное возмущение приводит к увеличению ее площади, а следовательно, поверхностное натяжение опять придает пузырю цилиндрическую форму. Однако когда расстояние между дисками превышает их периметр, цилиндрический пузырь становится неустойчивым. Он лопается в результате любого случайного возмущения и превращается в два пузыря меньшего размера.

Тот же результат получится, если вместо дисков использовать два круглых колечка, полностью затянутых мыльной пленкой. Если пленка на одном из колечек порвется, давление внутри пузыря упадет до атмосферного, уравняв давления внутри и вне пузыря, а значит, кривизна поверхности пузыря должна стать равной нулю. Чтобы выполнить это условие, на пузыре появляется шейка, что делает его похожим на песочные часы. Вдоль направления от кольца к кольцу поверхность пузыря вогнутая (кривизна отрицательная); вдоль направления вокруг пузыря поверхность выпуклая (кривизна положительна). Тогда, как и должно быть, суммарная кривизна точно равна нулю. Такой пузырь стабилен, только если расстояние между колечками гораздо меньше длины их окружности. Если колечки раздвинуть чуть дальше, шейка немедленно станет тоньше и разорвется, а пленка на каждом колечке сожмется и станет плоской.

Кажется, что пузыри, поднимающиеся со дна высокого цилиндра с водой, должны двигаться вертикально вверх. Действительно, именно так ведут себя маленькие и большие пузыри. Почему же пузыри промежуточных размеров поднимаются по зигзагообразным или винтовым траекториям?