Сила сопротивления воздуха, действующая на скимбордера, может его затормозить, однако он может продлить катание, если согнется и уменьшит площадь поверхности тела, обдуваемой воздухом.

Представьте, что в вашем автомобиле, окна которого закрыты, парит наполненный гелием шар. Почему при резком повороте положение шара относительно потолка меняется? Куда шар сдвинется: в направлении поворота или в противоположном направлении? Если машина поворачивает в холодную погоду, но с включенным обогревателем, почему меняется распределение теплого воздуха в кабине? В какую сторону перемещается теплый воздух?

ОТВЕТ • Если автомобиль делает резкий левый поворот, вас как будто отбрасывает в направлении, противоположном повороту, то есть вправо. Дело в том, что верхняя часть вашего туловища стремится продолжить движение в прежнем направлении, тогда как на нижнюю его часть со стороны сиденья действует сила трения, при повороте тянущая вас влево. Поэтому вы отклоняетесь в сторону, противоположную направлению поворота. Воздух внутри машины тоже стремится продолжить движение в прежнем направлении, но правая стенка машины заставляет воздух поворачиваться, что приводит к увеличению плотности воздуха внутри машины справа. Гелий легче воздуха, поэтому шар сдвигается в ту сторону, где плотность воздуха меньше. Следовательно, он отлетает влево, в сторону, противоположную отклонению вашего тела. Шар, наполненный газом тяжелее воздуха, например аргоном или углекислым газом, будет, естественно, вести себя противоположным образом.

Теплый воздух менее плотный, чем холодный, и при повороте влево он смещается влево. Если вентилятор не направляет воздух прямо в лицо водителю, во время поворота он может почувствовать на своем лице дуновение теплого ветерка.

Каким образом скрытая водой песчаная отмель вблизи берега может отражать набегающие океанские волны? Почему при определенном расположении отмелей (или искусственных препятствий под водой) океанские волны отражаются очень сильно?

ОТВЕТ • Океанскую волну мы видим распространяющейся вдоль поверхности воды, но движение продолжается и под ее поверхностью. Маленькие объемы воды совершают движение по вертикально ориентированным овальным орбитам, плоскость которых параллельна направлению движения волны. Отмель, расположенная не слишком далеко от поверхности, может заблокировать такое орбитальное движение. Большинство волн пройдет над отмелью, но какая-то их часть отразится и уйдет обратно в океан.

Если имеется несколько длинных, взаимно усиливающих отражение друг от друга отмелей, отражение от такой системы отмелей гораздо сильнее. Это так называемое резонансное, или брэгговское, отражение. Резонансное отражение имеет место в том случае, когда направление распространения волн перпендикулярно линии, вдоль которой вытянуты отмели, а их длина в два раза больше расстояния между отмелями. Представьте себе незатухающую волну, отражающуюся от двух следующих друг за другом отмелей. Часть волны, прошедшая через первую отмель, отражается от второй и затем проходит над первой отмелью (но уже двигаясь в обратном направлении), пройдя дополнительное расстояние, равное удвоенному расстоянию между отмелями. Если это дополнительное расстояние равно длине волны, то при попадании на первую отмель фаза волны будет равна (или кратна) фазе волны, отражающейся в то же самое время от первой отмели. Поэтому обратно в океан уходят две волны с одинаковой фазой, формируя результирующую отраженную волну большой амплитуды.

Короче говоря, когда отраженные, уходящие в океан волны совпадают по фазе, отражение является сильным, поскольку только малая часть первоначальной волны продолжает двигаться к берегу. Этот механизм отражения помогает защитить от волн берег и прилегающую к нему акваторию. Там, где вначале были одна или две отмели, волны, размывая и унося песок со стороны насыпи, обращенной в океан, могут переносить его через отмель. Этот песок осаждается, и ближе к берегу образуется новая отмель. Так волны «строят» отмели, находящиеся друг от друга на расстоянии, равном половине длины волны, что обеспечивает резонансное отражение.

Дело осложняется тем, что волны, накатывающие на берег, существенно различаются как по направлению, так и по длине. Поэтому для большинства волн условия резонансного отражения не выполняются.

Насколько справедливо утверждение бывалых моряков, что дождь успокаивает океанские волны?

ОТВЕТ • Доля истины в этих словах есть, при условии, что дождь сопровождается не слишком сильным ветром. Когда капли дождя ударяются о воду, образуются небольшие, уходящие под воду вихри, капли вызывают колебания поверхности воды и иногда даже водяные брызги. Все это приводит к турбулентности верхнего слоя океанской воды, гасящей или уменьшающей амплитуду волн малой длины. Однако при сильном ветре, отклоняющем дождевые струи почти горизонтально, дождь может эти волны даже усиливать.

Налейте воду в прозрачную кружку не до самого верха. Возьмите бумажный стаканчик, проделайте в его донышке маленькое отверстие. Частично погрузите стаканчик в кружку, закрепите его на месте зажимом или положите сверху на кружку два столовых ножа. В отдельном сосуде приготовьте подкрашенный пищевым красителем раствор соли (лучше — насыщенный раствор) и медленно вливайте его в стаканчик до тех пор, пока уровень раствора в стаканчике не окажется чуть ниже уровня воды в кружке. Через отверстие потечет струйка подкрашенной жидкости. Затем струйка чистой воды поднимется через отверстие вверх. Такое циклическое попеременное движение жидкостей будет повторяться в течение нескольких минут, а может и часов. Что же приводит в действие этот своеобразный соляной маятник?

ОТВЕТ • Во-первых, представьте, что отверстие — это короткая узкая трубочка, заполненная изначально подкрашенной соленой водой (рис. 2.38a). Снизу этой трубочки поверхность раздела отделяет пресную воду от соленой. Будем считать, что вначале поверхность раздела находилась в равновесном состоянии. Это значит, что давление пресной воды под этой поверхностью равнялось давлению соленой воды над ней. Поскольку соленая вода плотнее, равновесие достигается тогда, когда высота столбика соленой воды над поверхностью раздела меньше высоты пресной воды в кружке на том же уровне.

Рис. 2.38 / Задача 2.134. а) В результате случайного нарушения равновесия пресная вода начнет выталкиваться вверх в трубочку. б) Вследствие нарушения равновесия подкрашенная соленая вода начнет притекать вниз в трубочку.

Хотя эта система находится в равновесии, она неустойчива относительно случайных возмущений, которые неизбежны. Предположим, результатом возмущения стало проникновение небольшого количества пресной воды в трубочку. Поскольку трубочка узенькая, высота жидкости в бумажном стаканчике заметно не изменилась. Однако изменилось давление, поскольку в части трубочки теперь более легкая жидкость. Поэтому в трубочке давление над поверхностью раздела стало меньше, чем раньше. В результате еще больше чистой воды пройдет по трубочке вверх. Это будет продолжаться до тех пор, пока уровень воды в бумажном стаканчике не повысится настолько, что давления на поверхности раздела опять сравняются. В этот момент трубочка будет заполнена пресной водой (рис. 2.38б).