Как и курильщики, дельфины тоже любят играть круговыми вихрями и умеют их создавать разными способами. По-видимому, самый обычный из них такой: дельфин плывет на боку, помахивая из стороны в сторону хвостовым плавником, находящимся в этот момент в вертикальном положении. Когда плавник двигается в воде, трение замедляет поток вблизи него, вызывая завихрения, из которых потом формируется круговой вихрь в вертикальной плоскости. Затем дельфин разворачивается, вставляет свое дыхало[35] в круговой вихрь и выдыхает воздух в его центр, откуда он быстро распределяется по всему вихрю. Воздух помогает вихрю держаться на воде, а также выступает как маркер. Дельфин, играя, гоняется за вихрем, проплывает сквозь него. Он создает следующий кольцевой вихрь или разрывает вихрь на кусочки, которые, загибаясь, образуют вторичные вихри меньшего размера.

В классе создать вихрь можно с помощью воздушной пушки. Это коробка с круглым отверстием спереди, а сзади вместо стенки натянут гибкий материал (например, пластиковый мешок для мусора). Если оттянуть пластиковое покрытие наружу, а затем его отпустить, оно выталкивает струю воздуха через круглое отверстие. Точно так же, как при выпускании колец дыма, поток образует круговой вихрь, правда, без маркера. Можно испугать человека в другом конце комнаты, если, используя воздушную пушку, направить на него потихоньку большой круговой вихрь.

Также круговой вихрь получится, если капнуть жидкость либо в ту же самую жидкость, либо в любую другую жидкость, с которой она способна смешиваться. Вихрь формируется, когда капля ударяется о поверхность жидкости и пробивает ее. Чтобы увидеть, как он образуется, надо добавить в каплю чуть-чуть краски.

Если один круговой вихрь следует за другим, а их центры располагаются примерно на одной оси, второй вихрь может зацепиться за первый. В зависимости от обстоятельств эти два вихря могут либо слиться, образовав один большой вихрь, либо устроить «игру», напоминающую чехарду (рис. 2.13). Догоняющий вихрь сжимается и начинает вращаться быстрее, а первый вихрь расширяется, вращаясь медленнее. Затем второй вихрь проходит через первый и становится ведущим. «Перепрыгивание» вихрей друг через друга может происходить несколько раз. Его можно наблюдать и в том случае, если быстро, одну за другой, капнуть две капли на поверхность жидкости. Если каждая капля приводит к созданию кольцевого вихря, второй вихрь может пройти сквозь первый.

Рис. 2.13 / Задача 2.40. Догоняющее кольцо дыма проходит через переднее кольцо.

Почему сифоном можно откачать жидкость из сосуда (рис. 2.14)? Другими словами, почему жидкость поднимается по вставленной в нее трубке? В частности, жидкость вверх по трубке выталкивает атмосферное давление? Чем ограничена высота подъема? Почему свободный конец сифонной трубки должен быть ниже конца, вставленного в сосуд?

Рис. 2.14 / Задача 2.41. Сифонная трубка.

ОТВЕТ • Чтобы начать откачку, выходное колено сифона должно быть до конца заполнено жидкостью (это можно сделать с помощью груши-помпы, выкачивающей жидкость из сосуда). Хотя жидкость не твердая, а текучая субстанция, она тем не менее способна противодействовать внешнему усилию (говорят, обладает когезией). Это значит, что соседние элементарные объемы жидкости притягиваются друг к другу. Когда жидкость начинает вытекать из выходного колена сифона, жидкость сверху «перетягивает» новые объемы жидкости через изгиб, а те, в свою очередь, подтягивают вверх новые порции жидкости. Это напоминает вытягивание веревки или цепи из сифонной трубки. До тех пор пока участок цепи вне контейнера длиннее того, что остается в нем, сила тяжести вытягивает новые звенья цепи вверх, помогает им преодолеть изгиб сифона и направляет вниз по выходному колену.

Вопреки распространенному мнению, не атмосферное давление выталкивает жидкость вверх по сифонной трубке. На самом деле изменение атмосферного давления на работу сифона не влияет.

Говорят, что при подъеме жидкости по сифонной трубке на нее действуют растягивающие напряжения: каждый элементарный объем жидкости растягивается и вверх, и вниз. Может показаться неожиданным, но жидкость способна выдерживать растягивающие напряжения до тех пор, пока они не превосходят некоторое предельное значение, но если этот предел превзойден, в воде неожиданно начинают образовываться пузырьки, куда идет испарение. Высоту сифона можно повышать до тех пор, пока в верхней части сифонной трубки не образуются пузырьки. После этого водяной столб разрывается, сифон перестает откачивать воду, а вода, оставшаяся в сифоне, просто вытекает из него.

Сифон перестает работать и в том случае, когда воздух, просачиваясь во внутреннее колено сифонной трубки, собирается сверху и разрывает водяной столб. Такое часто случается в обычных туалетах. Когда вы сливаете воду из бачка в унитаз, давление в нижней части бачка увеличивается и проталкивает воду в канализационную трубу, имеющую форму сифонной трубки. Вода и все, что в ней плавает, откачиваются до тех пор, пока почти вся вода не вытечет из бачка. Может случиться, что воздух попадет в сифон и вода перестанет откачиваться. Обычно вода из бачка льется в унитаз еще несколько минут, но этого недостаточно, чтобы сифон опять начал функционировать. Однако он служит барьером, ограждающим вас от запаха из канализационной трубы.

Как дневным ящерицам, шлемоносным василискам, удается бегать по воде и не тонуть? Так убегают от хищников не только молодые и легкие василиски, но и ящерицы постарше и потяжелее.

ОТВЕТ • Василиск начинает бег с удара задней лапой по воде. В результате удара возникает поддерживающая его сила, направленная вверх. Но поскольку вода — жидкость с малой вязкостью, вскоре лапа начинает погружаться в воду. При этом благодаря кожным складкам на пальцах она захватывает с поверхности пузырек воздуха, который двигается вниз и назад. Толчок назад приводит к появлению направленной вперед силы, позволяющей василиску бежать. Поскольку василиску не нужно, чтобы его лапа испытывала сопротивление воды, он поднимает лапу до того, как воздушная полость под ней заполнится водой. Но к этому моменту по воде ударяет вторая лапа. Хотя василиски немного погружаются в воду, в результате чередующихся ударов задними лапами о воду средняя сила направлена вверх. Этой силы достаточно, чтобы удержать на воде даже взрослую особь.

Предположим, вы сидите в лодке, плавающей в небольшом бассейне на заднем дворе. С собой в лодку вы взяли деревяшку и брусок свинца. Что произойдет с уровнем воды в бассейне, если выбросить деревяшку на траву, деревяшку в воду, брусок на траву, брусок в воду?