Такие волны существуют благодаря достаточно большому поверхностному натяжению воды. Добавление жидкого мыла понижает поверхностное натяжение. Если палец сначала окунуть в мыло, а потом подставить под струю, внизу струи часть мыла смешается с водой, уменьшив ее поверхностное натяжение настолько, что волны здесь образовываться не будут. Теперь снизу течение спокойное, как в трубе, а сверху, над этим участком, образуется рябь.

Подставьте выпуклостью вверх ложку или какой-нибудь другой предмет округлой формы под спокойно льющуюся из крана струйку воды. Вы увидите, что, стекая с ложки, вода образует тоненькую пленку. Подойдет и любая плоская поверхность, например откручивающаяся пластмассовая крышечка от бутылки с газированной водой. Вставьте в крышечку два пальца, поднимите их вверх и подставьте под струю. Если вы действовали осторожно, водяная пленка, изгибаясь, почти сомкнется внизу, образуя водяной колокол (рис. 2.31). Такие изогнутые водяные пленки, напоминающие скульптуры из воды, украшают многие фонтаны. Как образуются водяные пленки?

Рис. 2.31 / Задача 2.101. Водяной колокол из пленки воды, искривленной твердой поверхностью.

Когда две тонкие струйки спокойно текут навстречу друг другу, тоже могут образовываться водяные колокола и относительно плоские водяные пленки. Если струйки вертикальны и скорость воды примерно одинакова, столкнувшись, они превращаются в симметричные пленки. Эти пленки могут либо распасться на капли, либо изогнуться, образуя колокол.

Если струйки текут вниз под углом друг к другу, могут образовываться жидкие цепочки, состоящие из ряда петелек с относительно толстым ободком. Следующие друг за другом петли взаимно перпендикулярны и образуют структуру, напоминающую звенья обычной цепи.

ОТВЕТ • Вода не растекается благодаря так называемому поверхностному натяжению — взаимному притяжению молекул воды. Пленка изгибается вниз из-за силы тяжести. Если при отрыве пленки от предмета, искривляющего ее поверхность, возникает существенная турбулентность, она становится нестабильной и рвется. Если турбулентность не слишком большая, образуется очень красивый водяной колокол.

Иногда в скульптурах из воды используют не цилиндрическую струю, а пускают воду по плоской поверхности широким, неглубоким потоком. Отрываясь от края этой поверхности и стекая вниз, поток изгибается и образует водяной занавес. Однако, если поток слишком слабый, образуется не водяная пленка, а несколько отстоящих на равные расстояния друг от друга цилиндрических струй. Расстояние между ними определяется поверхностным натяжением, собирающим воду в струи.

Тонкие пленки из воды можно получить и тогда, когда две цилиндрические струи, вытекающие из близко расположенных отверстий, текут навстречу друг другу с примерно одинаковой скоростью. При их соударении вода растекается в разные стороны, и образуется пленка. Образование этой пленки и ее поведение существенно зависит от того, как были направлены струйки непосредственно перед столкновением. Если струи были направлены вверх, но не совсем вертикально, а наклонно, под небольшим углом к вертикали, образуется вертикальный диск или эллипс. Он разрушается по периметру, разлетаясь каплями. Если струи были наклонены к вертикали на разные углы, пленка приобретает форму листа.

Струи могут образовывать жидкие цепочки. В этом случае они, сталкиваясь, расходятся в разные стороны, но между ними остается тонкая, соединяющая их пленка. Поверхностное натяжение разворачивает струи обратно в направлении друг к другу. Они опять сталкиваются, а затем опять расходятся в разные стороны, но теперь в плоскости, перпендикулярной той, в которой образовалось первое звено цепочки. Вода продолжает стекать вниз, и сила соударения, как и ширина звеньев цепочки, уменьшается, пока она не превратится в одну цилиндрическую струю.

Если наступить на мокрый песок (но не настолько мокрый, чтобы в нем образовывались воронки), а затем поднять ногу, песок внутри вашего следа будет относительно сухим, а через несколько минут опять намокнет. Почему так происходит?

С чем связано появление зыбучих песков и как из них выбраться?

ОТВЕТ • До того как вы наступили на песок, его песчинки «упакованы» максимально плотно, а вода заполняет пространство между ними. Песок выглядит мокрым из-за того, что мы видим отражение от воды на песчаной поверхности. Наступив на песок, вы его сдвигаете, перемещая отдельные участки друг относительно друга. В результате таких смещений расстояние между песчинками увеличивается. (Песок иногда даже называют дилатантным материалом: при сдвиге его объем увеличивается в сравнении с исходным состоянием, в котором песчинки плотно упакованы.) Вода с поверхности песка стекает в расширившиеся пустоты между песчинками, так что песок выглядит относительно сухим. Через несколько минут либо песчинки вернутся на место, либо в след наберется вода из нижних слоев песка или с окружающей его поверхности, так что поверхность песка внутри следа опять будет выглядеть мокрой.

Если гибкую пластиковую бутылку с песком и водой слегка сплющить, потихоньку сжимая, плотно упакованные песчинки начнут медленно сдвигаться, а вода будет просачиваться во вновь образовавшиеся пустоты, смазывая песчинки. Однако если попытаться сжать бутылку резко, песчинки начинают двигаться слишком быстро, без жидкой смазки. Тогда трение песчинок друг о друга будет настолько сильным, что бутылку вряд ли удастся сплющить.

Зыбучий песок — это песчаный пласт, в который поступает вода, например снизу, из естественных источников. Вода раздвигает песчинки и смачивает их настолько, что они могут скользить друг относительно друга. Наступив на такой «смазанный» песок, в нем можно увязнуть. Если попытаться быстро выдернуть ногу, зыбучий песок мгновенно становится твердым, так что ногой вообще пошевелить не удастся. Дело в том, что резкое движение увеличивает расстояние между песчинками, но их скольжение друг относительно друга приводит к появлению столь значительной силы трения, что они вообще перестают двигаться.

Зыбучий песок — плотная жидкость, и, в принципе, если вы увязли в ней, это еще не значит, что вы утонете. Можно представить себе такую идеализированную ситуацию: согнувшись в поясе, вам удалось на эту жидкость лечь. Тогда вы можете попробовать выбраться и, раскинув по поверхности руки, медленно вытаскивать ноги. Но люди, имевшие дело с зыбучими песками, говорят, что в природе зыбучий песок гораздо опаснее своего идеализированного аналога. Вполне вероятно, что зыбучий песок скрывается под водой (стоячей или текущей), так что ваша голова легко может оказаться под водой. Кроме того, упав в зыбучий песок, вы оказываетесь ниже уровня, на котором можно плыть. И это совсем не похоже на бассейн, где вы выскакиваете на поверхность, как поплавок. Хуже того, можно изменить направление потока воды, делающего песок зыбучим, и тогда он затвердеет вокруг вас.