Страница 20 из 48
Бернард Хаулетт Лафтон, Эссекс, Великобритания
«Здесь, в Зимбабве, молоко продается в пластиковых пакетах. Большинство покупателей срезает уголок пакета, чтобы вылить молоко. Я заметил, что под давлением молоко вытекает из пакета спиралевидной струйкой. Также ведут себя и другие жидкости. Какая сила заставляет изгибаться спиралью свободно падающую струйку? Я обратил внимание: чем меньше отверстие в пакете, тем больше витков у молочной спирали».
Спиральный эффект, который вы наблюдали, лишь часть водоворота, возникающего в пакете при вытекании молока. Сила, которая заставляет молоко виться спиралью, называется кориолисовой. Она создает все вихревое вращение, какое можно увидеть. Такой же эффект возникает в картонных молочных пакетах и бутылках, но он менее заметен из-за формы поперечного сечения отверстий. Когда молоко под давлением вытекает из пакета, а мы сжимаем пакет, тем самым мы увеличиваем скорость течения жидкости. При этом растет кориолисова сила, которая пропорциональна скорости объекта во вращающейся инерциальной системе координат, а также пропорциональна угловой скорости системы и расстоянию от объекта до оси вращения. Так возникает тугая спираль. По сути дела, молоко завинчивается под давлением.
Джон Лентон Кордоба, Аргентина
Скручивание струйки молока, вытекающего из пакета, зависит в первую очередь от формы отверстия (обычно длинного и узкого), разницы давления на молоко с обеих сторон отверстия, силы поверхностного натяжения между молоком и стенкой пакета. Но кориолисова сила, на которую ссылался автор предыдущего ответа, тут ни при чем.
Кориолисова сила действительно существует. Поскольку Земля вращается, в жидкости, текущей по поверхности Земли, возникает кориолисово ускорение, перпендикулярное направлению скорости. В Северном полушарии кориолисово ускорение заставляет зоны низкого давления, ураганы, вращаться против часовой стрелки. Но в Южном полушарии тайфуны закручены по часовой стрелке из-за смены направления кориолисова ускорения.
Этот масштабный метеорологический эффект позволяет сделать вывод, что крошечный водоворот, возникающий в ванной, из которой выдернули пробку, к северу от экватора вращается в одну сторону, а к югу от экватора — в другую. Но это неверно. Кориолисова сила слишком мала, чтобы определять направление вращения водоворота в ванной и скручивания струйки молока, вытекающей из пакета. Проявления этой силы можно заметить в воде только в условиях регулируемого эксперимента — например, в симметричной емкости с низким трением в случае жесткого контроля термических потоков, после того как вода день или более постояла в емкости и затихли все остаточные колебания, вызванные наполнением.
Реймонд Холл По электронной почте, без обратного адреса
Ответ на вопрос не совсем корректен. Действительно, спираль вытекающего молока — частица водоворота, образующегося внутри пакета, но автор ответа ошибся, полагая, что сам водоворот возникает из-за эффекта Кориолиса.
На самом деле причина — «эффект фигуриста». Любое воздействие на пакет с молоком приводит содержащуюся в нем жидкость в движение в том или ином направлении. Когда жидкость вытекает через отверстие, в ней сохраняется угловой момент. Это значит, что струйка небольшого диаметра вращается быстрее — так фигуристы ускоряют вращение, прижимая руки к телу. Вот почему молочная спираль, вытекающая из маленьких отверстий, скручена сильнее.
Соня Легг Калифорния, США
«Когда я открываю картонный пакет молока, мне приходится быстро наклонять его, чтобы наполнить стакан. Если наклонять пакет слишком медленно, молоко вытечет из пакета, получится лужа. Так же обстоит дело с апельсиновым соком и другими жидкостями. Почему при медленном наливании струйка течет по пакету?»
Когда мы наклоняем пакет с жидкостью, чтобы налить ее в стакан, свободная поверхность жидкости в пакете поднимается в сторону отверстия. При этом возникает перепад давлений между свободной поверхностью и отверстием, благодаря чему жидкость вытекает из пакета. Вдобавок к давлению есть также силы поверхностного натяжения, действующие на жидкость и подтягивающие ее к поверхности пакета. При высокой скорости вытекания давление гораздо больше силы поверхностного натяжения, и жидкость вытекает из пакета, как положено, образуя предсказуемую изогнутую (параболическую) струю, падающую в подставленный стакан.
Но при низкой скорости истечения наступает момент, когда сил поверхностного натяжения оказывается достаточно, чтобы изменить траекторию движения жидкости: она уже не падает из отверстия, а «прилипает» к поверхности пакета снаружи (при условии, что это картонная коробка с плоским верхом). Притянутая к поверхности струя жидкости останется таковой из-за сил поверхностного натяжения и явления, которое называется эффектом Коандэ. Он наблюдается, когда жидкость течет по выпуклой поверхности (например, вода из-под крана огибает поверхность ложки) и создает внутреннее давление, вызывающее «прилипание» струи к поверхности.
Совместного действия сил поверхностного натяжения и эффекта Коандэ обычно достаточно, чтобы заставить струю жидкости огибать верхнюю поверхность коробки и стекать по ее боку, таким образом обеспечивая максимальное попадание жидкости из пакета вам на ноги.
Эксперименты показали: когда пакет полный, «подсасывание», наблюдаемое при втягивании воздуха взамен вытекшей жидкости, усиливает колебания струи и приводит к периодическому «прилипанию» струи (и увлажнению ног), даже при сравнительно большой скорости истечения.
Билл Кроутер Аэрокосмическое отделение, Университет Манчестера, Великобритания
Эффект Коандэ, или «прилипания», назван в честь румынского изобретателя Анри Коандэ (1886–1972), создавшего реактивный самолет с двумя камерами сгорания, по одной с каждой стороны фюзеляжа, направленными вниз и расположенными ближе к передней части самолета. К его ужасу, при взлете струи пламени, вместо того чтобы оставаться прямыми, «прилипли» к фюзеляжу до самого хвоста. Правда, благодаря этому эффекту имя изобретателя было увековечено.
Примерно 30 лет назад явление «прилипания» к стенкам было использовано при разработке автоматических систем управления (струйная техника), в которых маленькая струйка жидкости заставляла главный поток отклоняться от стенки и изменять направление движения. После этого поток «прилипал» к другой стенке.
Джон Уортингтон Стоурбридж, Западный Мидлендс, Великобритания
Подробнее о Коандэ и первом настоящем реактивном самолете, созданном в 1910 году, можно узнать на сайте www.allstar.fiu.edu/aero/coanda.htm. В следующем ответе описывается простая демонстрация этого эффекта. — Ред.
Этот эффект возникает вследствие общего свойства текущих жидкостей обтекать поверхности и «прилипать» к ним. Можно провести любопытный эксперимент: возьмите вертикальный цилиндр (вымытую бутылку, например, из-под вина) и поместите за ним зажженную свечу. Если стукнуть по бутылке, свеча погаснет из-за потока воздуха, образовавшегося вокруг нее.
Ричард Ханн Ипсвич, Суффолк, Великобритания
«Недавно я купил упаковку яиц, производители которых гарантировали, что в каждом яйце по два желтка. Они не обманули. Как сделать так, чтобы в яйце было два желтка?»