Защищаясь от муравьев, жуки-бомбардиры[37] разворачивают заднюю часть брюшка, где расположены железы, и, как из пульверизатора, выстреливают горячей (до 100°C) токсичной жидкостью. Если муравей атакует, скажем, переднюю ногу бомбардира, жук, целясь в эту ногу, направляет кончик брюшка, как турель пушки, вниз и вперед. Облитый жидкостью муравей быстро ретируется. У пауссинов, менее распространенной разновидности жуков-бомбардиров, задний кончик брюшка не такой подвижный: выстрелить жук может только назад или в сторону. Тем не менее и такой жук метко целится в муравья, даже если тот находится впереди него или вцепился ему в переднюю ногу. Как пауссин может направить струю вперед, когда выстрелить в этом направлении он не может?

ОТВЕТ • Отклонение потока по направлению к твердой поверхности, приводящее к прилипанию, называется эффектом Коанда по имени открывшего его румынского инженера Анри Коандэ. Предположим, что вода течет достаточно близко к твердой поверхности. Струя увлекает за собой воздух, то есть захватывает соседние молекулы воздуха, которые в результате уносятся потоком жидкости. При этом возникает поток воздуха (движение молекул воздуха, находящихся дальше от струи воды), стремящийся заместить ушедшие с водой молекулы воздуха. Однако твердая поверхность препятствует притоку воздуха, и давление воздуха между струей и поверхностью падает (эффект Бернулли). При этом с другой стороны струи давление остается атмосферным, и струя, прижимаясь к твердой поверхности, прилипает к ней. Прилипание может наблюдаться даже в том случае, когда поверхность отогнута от изначального направления течения воды.

У пауссинов есть выступы сразу перед отверстием железы, из которой они стреляют. Чтобы направить струю вперед, отверстие ориентируется так, чтобы струя ядовитой жидкости попала в выступ. В соответствии с эффектом Коанда струя, огибая закругления выступа, может отклониться на угол до 50°. Оторвавшись от выступа, она движется по воздуху в виде тонкой струйки. Жук контролирует, в какое место на выступе попадает струя, выпущенная из железы, и таким образом может контролировать, куда в конечном счете она будет направлена.

Если носик чайника (или любого другого сосуда для жидкостей) имеет правильную форму, вода хорошо течет из него и попадает туда, куда ей положено, например в чашку. Неправильно выполненный носик чайника приводит к так называемому эффекту чайника: вместо того чтобы спокойно течь струей, вода затекает под носик чайника, сбегает по нему вниз на расстояние до нескольких сантиметров, а затем отрывается и льется на скатерть (рис. 2.17). Даже если струя не прилипла к нижней стороне носика, она может изогнуться дугой в сторону чайника. Конечно, это прилипание или непредсказуемый изгиб струи воды могут обернуться неприятностью. С чем же связан эффект чайника?

Рис. 2.17 / Задача 2.51. Струя воды, прилипшая к носику чайника.

ОТВЕТ • Если вода вытекает достаточно быстро, скорее всего, в воздухе струя воды будет двигаться так, как мы ожидаем. В этом случае говорят: струя движется по баллистической траектории. Название связано с тем, что, если из носика чайника «выстрелить» твердым предметом, он будет двигаться так же. Неожиданности начинаются, если вода из носика течет недостаточно быстро. Дело в том, что давление в поперечном сечении струи непостоянно: на поверхности воздух — вода давление остается атмосферным, но вблизи того места, где вода переливается через край носика чайника, она движется быстрее, и там давление понижено. Повышенное внешнее давление прижимает струю к краю носика. Если струя вытекает достаточно быстро, она перетекает через край носика и отрывается, образуя выгнутую в сторону от чайника дугу.

Если вода вытекает медленнее, точка, где струя в последний раз касается носика чайника, может оказаться на нижней стороне носика. Обычно такое прилипание связывают со взаимным притяжением молекул воды и молекул материала, из которого сделан носик чайника. Прилипание часто трактуется как результат действия поверхностного натяжения и обычно приводится как пример смачивания твердой поверхности жидкостью. Однако основная причина, по которой струя, вытекающая из чайника, стекает вниз по его носику, — давление воздуха. Даже если смазать маслом нижнюю поверхность носика, чтобы уменьшить на ней взаимное притяжение молекул и исключить смачивание, медленная струя по-прежнему будет стекать вниз вдоль носика чайника.

Место отрыва струи от носика чайника определяется многими факторами. Даже если экспериментировать с одним и тем же чайником и контролировать скорость вытекания воды, расстояние, на котором струя оторвется от носика чайника, от раза к разу может меняться. Для того чтобы исключить «эффект чайника», у края носика снизу можно сделать небольшое отверстие. Когда струя достигает этого отверстия, резкое изменение кривизны поверхности приводит к отрыву потока (прерывает поток). Сходная техника используется на подоконниках для борьбы с эффектом чайника: дождевая вода не должна затекать под подоконник и попадать на стену. Снизу у подоконника имеется узкий вертикальный разрез, благодаря которому поток воды отрывается от края подоконника далеко от стены. Чтобы эффект чайника не мешал сливать жидкость, например из кастрюли, достаточно подставить вертикально нож или брусок в том месте, где выливается жидкость. Жидкость прижмется к ножу или бруску вместо того, чтобы стекать вниз по стенке кастрюли.

Некоторые фонтанчики для питья тоже проявляют эффект чайника: когда вода перетекает через край поддона, она либо стекает по нему снизу, либо, выгибаясь, образует вокруг фонтанчика что-то вроде ниспадающей завесы. Если поддон имеет форму круга, стекающая вода может образовать замкнутую поверхность, которую называют водяным колоколом.

Почему глубоководный водолаз, которого поднимают на поверхность, должен переждать какое-то время на определенной глубине и почему его нельзя поднимать без остановок? Почему многие водолазы после такой процедуры чувствуют себя хорошо, но испытывают боль, если им приходиться лететь самолетом вскоре после погружения? (Боль дает о себе знать после взлета.) Киты часто погружаются на большую глубину и быстро всплывают. Это как-то вредит им?

ОТВЕТ • Если при погружении водолаз вдыхает воздух под давлением, молекулы азота из воздуха растворяются у него в крови и поступают в кровоток. Когда он всплывает, давление уменьшается и азот должен покинуть кровоток. Если он не успевает это сделать, в крови образуются пузырьки из азота. Пузырьки двигаются вместе с кровотоком. По достаточно крупным сосудам они перемещаются свободно, но, попадая в более мелкие сосуды, застревают, препятствуя кровотоку. Последствия называют кессонной болезнью, или декомпрессией. Она может привести к сильным болям, инвалидности и даже смерти. Больного с признаками кессонной болезни помещают в барокамеру и заставляют дышать воздухом с повышенным давлением, медленно его понижая, при этом растворенный в крови азот постепенно выходит. Чтобы избежать кессонной болезни, водолаз, всплывая на поверхность, делает несколько остановок, задерживаясь на каждой из них на определенное время, чтобы кровь могла очиститься от азота.