Рис. 2.18 / Задача 2.60. Кажется, что струйка льющегося шампуня отскакивает от образовавшегося на поверхности возвышения.

Если вставить вращающийся стержень в сосуд с водой, вода начнет вращаться вокруг стержня, образуя направленную вниз воронку. Если заменить воду яичным белком, моторным маслом или некоторыми другими жидкостями, то они, вращаясь, начнут наматываться на стержень. Такое поведение жидкостей называется эффектом Вайсенберга.

ОТВЕТ • Поведение жидкостей обусловлено тем, что вращающийся стержень увлекает за собой жидкость. Чтобы представить себе, как происходит такое сдвиговое течение, положим, что слои жидкости заключены в цилиндрические оболочки с осью на оси стержня. При вращении стержень увлекает за собой внутреннюю оболочку. Эта оболочка скользит относительно следующей, заставляя вращаться и ее. Таким образом, оболочка за оболочкой жидкость втягивается во вращение. Поскольку движение связано с тянущими и скользящими усилиями, говорят, что оболочки испытывают действие сдвигающих напряжений. Когда речь идет о воде, уже через несколько слоев сдвиг практически не ощущается, и поэтому чем выше, тем вращение меньше. Однако есть жидкости, молекулы которых связаны друг с другом, образуя цепочки. Цепочки настолько перепутаны, что ведут себя как упругие полоски. Вращающийся стержень наматывает на себя такие «полоски», так что сначала они подтягиваются к стержню, а затем сдвигаются по нему вверх.

Если подобрать высоту и тоненькой струйкой лить мед на тост, он, как канат, начинает укладываться колечками (рис. 2.19). Есть и другие жидкости, способные в некоторых случаях накручиваться сами на себя. Например, широкая струя льющегося теста складывается туда-сюда, как лента на подарочной коробке. Почему эти жидкости так себя ведут?

Рис. 2.19 / Задача 2.62. Колечки меда, похожие на бухту каната.

ОТВЕТ • Сворачиваются спиралью или складываются как лента вязкоупругие жидкости, то есть те, которые обладают одновременно и вязкостью, и упругостью. Мед, льющийся с достаточно большой высоты, сворачивается колечками или складывается как лента по следующим причинам. 1. Когда он попадает в лужицу меда, уже налитого на тост, высокая скорость и большая вязкость не позволяют ему сразу объединиться с этой лужицей. Из-за соударения с налитым ранее медом струйка внезапно замедляется, и в ней возникают напряжения. 2. Льющаяся струйка утончается, и вблизи поверхности лужицы она представляет собой либо цилиндр маленького радиуса, либо тонкую широкую ленту. Тонкую струйку действующие напряжения могут отогнуть в сторону. Цилиндрическая струйка будет продолжать закручиваться, образуя спиральку, которая внутри может быть полой. Более широкая струя изгибается туда-сюда. Отклонившись в одну сторону, она возвращается обратно благодаря межмолекулярным связям, а затем сгибается в другую сторону, и так далее. В общем случае чем больше высота, с которой льется струйка, тем больше частота накручивания или перегибания. Однако эффект пропадает, если эта высота слишком большая. В этом случае более вероятно, что жидкость будет падать отдельными каплями, а не литься тоненькой струйкой.

Что вызывает волны на воде? Как вообще они возникают?

ОТВЕТ • До конца это не ясно, но упрощенно объяснить появление волн можно так: легкий ветер или какое-то другое возмущение воздуха или воды приводят к появлению на воде ряби. Ветер может превратить рябь в более сильные волны. В частности, поток воздуха с наветренной стороны волны, проходя через гребень, разбивается на вихри с подветренной стороны. Давление воздуха в вихрях меньше, и разность давлений между наветренной и подветренной сторонами гребня гонит верхушку волны в направлении ветра и увеличивает высоту волны. Другими словами, ветер может передавать энергию волнам. Если ветер усиливается, усиливаются и волны — увеличивается их высота.

Обычно высота океанских волн не превосходит некоторой величины, которая зависит от ветров и штормов в данном районе. Однако иногда волны бывают особенно большими. О гигантской одиночной волне говорят, что ее высота пугает. Но бывают еще и волны-убийцы, их высота вызывает настоящий ужас. Такой волне предшествует появление впадины, которую часто называют «дыркой в океане». Если нос большого корабля, способного противостоять ураганам, соскальзывает в такую пропасть, его обычно разламывает на части, а обломки выносит наверх волной, возвышающейся над поверхностью океана на 30 м. В 1933 году экипажу корабля ВМС США «Рамапо» удалось выжить, столкнувшись с тридцатичетырехметровой волной-убийцей. Дежурный офицер измерил ее высоту методом триангуляции; невероятной преданностью науке обладает человек, занимающийся физикой в такой момент.

И гигантские волны, и волны-убийцы наблюдались на всех океанских побережьях. Но в водах юго-восточного побережья Африки они образуются гораздо чаще, чем в других районах. Это подтверждает и большое число случившихся здесь кораблекрушений. Что же вызывает появление гигантских волн и волн-убийц?

ОТВЕТ • Обычно, когда речь заходит об океанской волне, имеют в виду синусоидальную волну (волна в форме синусоиды с гребнями и впадинами), распространяющуюся по океанской поверхности. Если две двигающиеся в одном направлении волны перекрываются, можно допустить, что результирующая волна (та, которую вы увидите) получится просто сложением двух волн. Если бы волны точно совпадали по фазе, гребни и впадины новой волны были бы выше и глубже, чем у каждой отдельной волны. Если перекрывается много волн, двигающихся в разных направлениях, вычислить, какой будет результирующая волна, затруднительно, но простое сложение отдельных волн по-прежнему дает высоту ее гребней и глубину впадин.

Волна, образовавшаяся при простом сложении волн, называется линейной комбинацией волн. По-видимому, гигантские волны — это нелинейные комбинации отдельных волн, то есть такие их комбинации, когда по каким-то причинам у результирующей волны гребни гораздо выше, а впадины гораздо глубже. Возможно, когда высота гребней увеличивается, ветер усиливает их рост, так что в итоге они оказываются выше, чем ожидалось. А может быть, в определенных ситуациях увеличение высоты результирующей волны сверх какой-то критической точки модифицирует исходные волны и образовавшаяся волна становится еще выше. Шансы образования гигантских волн невелики, но случается, что такая волна захлестывает круизный лайнер или какой-нибудь другой корабль, приводя в изумление капитана, привыкшего иметь дело с линейными комбинациями волн.