Вместе с потоком
Доводилось ли вам внимательно наблюдать за струей воды, вытекающей из крана? Откройте кран, чтобы вода текла широкой струей, а затем чуть подкрутите его в обратном направлении. Обратите внимание на то, что струя воды у крана шире, чем у слива. Задумывались ли вы, почему так происходит? Вода практически несжимаема, поэтому такой же ее объем, который вытекает из крана за секунду, должен поступать за секунду и в слив. При падении вода ускоряет движение под действием силы земного притяжения, так что нижняя часть потока имеет более высокую скорость, чем верхняя. Чтобы количество воды в обеих точках было одинаковым, нижняя часть струи должна быть значительно тоньше верхней, иначе в слив будет попадать больше воды, чем покинуло кран. В науке это явление называется уравнением непрерывности. Оно означает, что количество воды, протекающее в данной точке за какой-то отрезок времени, всегда постоянно.
▲ Непрерывность потока воды из крана. Вода ближе к сливу движется быстрее, чем у отверстия крана, так что диаметр потока внизу должен быть меньше. Иначе в слив будет попадать больше воды, чем вытекло из крана.
Исходя из этого же принципа, если газ или жидкость начинают течь по более узкому руслу, их скорость должна возрасти. Если вы осторожно надавливаете на рукоятку шприца, жидкость красивым фонтаном вырывается из его тонкой иглы. Если вы приладите к шприцу шланг с водой, то можете получить постоянную и дальнобойную струю жидкости. Так работают моющие машины (для подачи воды под давлением в них используются электрические или бензиновые двигатели). Шприцы и моющие машины не создают воду из воздуха: на входе толстого конца шланга ее поступает столько же, сколько на выходе из тонкого конца. Это также объясняет, почему ветер дует быстрее в обрамленных деревьями аллеях и на улицах с высокими домами. Они работают как шприцы, и ветер набирает скорость по мере того, как движется по узким проходам между деревьями и зданиями.
Иногда, на свою беду, архитекторы забывают об опасности этих явлений. Вихревые потоки не только быстро вращаются вокруг домов. Скоростной ветер может даже сбивать пешеходов с ног.
Уравнение непрерывности помогает нам понять буквальный смысл старой пословицы «стоячая вода всегда глубока». Когда быстрая и сравнительно мелкая река вливается в новое глубокое русло, скорость ее течения замедляется. Если представить себе, что русло реки углубляется вдвое, а ширина остается той же, скорость ее течения замедляется вдвое. Если бы она текла с прежней скоростью, став вдвое глубже, то вода возникала бы из воздуха.
Наука о храпе
Как и всё, что мы с вами до сих пор рассматривали, движущиеся жидкости, например воздух и вода, подчиняются всеобщему закону Вселенной – закону сохранения энергии. Более быстро движущиеся жидкости имеют большую кинетическую энергию. Но энергия не возникает из ничего. И если жидкость неожиданно начинает двигаться быстрее, увеличивая кинетическую энергию, она теряет другой вид энергии. И это происходит в связи с уменьшением давления. В физике это называется эффектом Вентури, и он помогает нам объяснить различные явления с жидкостями, которые вы, возможно, наблюдали, не понимая их природу. Например, если вы поднимаетесь вверх по каналу на одной барже, а рядом с вами плывет другая с такой же скоростью, два таких судна часто сталкиваются. Это происходит из-за того, что течение воды между ними ускоряется, а давление в нем падает, толкая баржи друг к другу.
А есть еще такое явление, как храп. Когда во сне воздух поступает в вашу глотку (верхнюю часть горла), то он ускоряется, и давление воздушного потока падает. Это заставляет глотку ненадолго смыкаться, а затем вновь открываться, что сопровождается неприятным звуком – храпом
[258]. Почему же храпят не все? Словенский отоларинголог Игорь Фаждига попытался найти ответ на этот вопрос, обследовав 40 пациентов, которые храпели во сне громко, умеренно или совсем не храпели. Он обнаружил: когда храпящие люди вдыхают воздух во сне, их глотка сужается больше, чем у тех, кто не храпит. Чем больше сужается и вибрирует глотка, тем громче храп
[259].
Важность жидкостей в нашей жизни
Кому интересны краны, шланги или плохо размешанный чай? Пыльные книжные полки не остановят мир. И даже плохие блендеры как-то справляются со своей работой. Действительно ли это важно? Как ни удивительно, ответ положительный.
Когда вы едете на работу на машине или велосипеде, аэродинамика делает вашу жизнь легче или труднее, заставляет вас тратить больше или меньше денег на бензин или доставляет в офис быстрее и с меньшими усилиями (если вы принимаете аэродинамическую позу и используете обтекаемый шлем). Что дает жизнь вашему дому? Электрический ток, бегущий по проводам, а также вода и газ, текущие по трубам, которые подчиняются всем законам гидродинамики. Законы гидродинамики обеспечивают здоровье: кровь течет по артериям и венам примерно так же, как вода в руслах рек, а воздух примерно так же наполняет ваши легкие. Так что гидро– и газодинамика зачастую важны для понимания всяких домашних прелестей вроде чистых книжных полок или хорошо размешанного чая. Жидкости дают энергию нашей жизни, а наука объясняет, как это происходит.
Глава 16. Вода, кругом вода
Из этой главы вы узнаете…
Что общего между булькающими водосточными трубами и перьевыми ручками.
Почему туалет – отличное место для того, чтобы сделать себе сандвич.
Почему обычная вода – лучшее средство для отопления дома.
Как наука может помочь вам сэкономить деньги на душе.
От воды никуда не деться. Малыши – пухленькие вместилища воды (они состоят из нее на 80 %, а взрослые – на 60 %)
[260]. С Землей та же история: она на удивление странно названа, поскольку на самом деле на 75 % покрыта водой. А иногда кажется, что этот процент еще выше: если вы оказываетесь во влажном индийском муссоне или промозглой сырой зиме Северного полушария. Даже в наших домах царит вода. Вы можете думать, что главное в вашем доме – электричество. Но на самом деле это постоянно текущая и бурлящая вода.
