Глава 15. Как всё в мире перемешано

 

Из этой главы вы узнаете…

Как правильно и неправильно помешивать чай.

Почему вы никогда не сможете сдуть всю пыль с книжной полки.

Почему не стоит заталкивать холодный заварной крем в слив раковины.

Как баржи на каналах помогают нам понять механизм храпа.

«Когда уляжется пыль» – парадоксальное клише, по крайней мере у меня дома. А когда пыль вообще делает еще что-нибудь, и если да, то почему? Если в вашем доме постоянные сквозняки, почему всё покрывается пылью и грязью? А машины? Почему они становятся такими грязными, хотя целыми днями обдуваются сильными потоками ветра или дождя? Почему эта невидимая гигантская автомойка не обеспечивает их блеска?

Научные ответы на все эти вопросы связаны с еще одним досадным моментом, который постоянно раздражает меня и в быту: с тем, как люди всегда готовят чай и кофе неправильно. Дело не в том, когда нужно добавлять молоко, и не в этикете, а в том, как люди размешивают напитки после того, как все ингредиенты уже в чашках. Если пыль и размешивание кажутся вам не связанными между собой, то что вы скажете о воющих турбинах, храпящих сонях и кусочках моркови в супе-пюре, который по идее должен быть идеально протерт? Оказывается, всё это связано с тем, как потоки жидкостей и газов движутся вокруг нас. И всё это – одна и та же наука.

 

Как не дать дому запылиться

 

Забудем о том, откуда берется пыль, и подумаем, как избавиться от нее.

Когда вы сталкиваетесь с чем-то по-настоящему пыльным, то инстинктивно пытаетесь сразу сдуть эту пыль. И вот вы вдыхаете полную грудь воздуха, раздуваете щеки, как Луи Армстронг, и сильно дуете. Что происходит? Немного пыли улетает, но гораздо больше остается – по двум совершенно разным причинам.

Во-первых, пыль очень мелкая. Вы, наверное, читали о шахтерах, которые имеют серьезные проблемы с легкими из-за постоянного попадания в них угольной пыли, в результате чего развивается заболевание под названием пневмокониоз. Или о детях, у которых под влиянием вредных автомобильных выбросов обостряется астма. Частицы пыли могут быть поразительно малы: наиболее опасные из них известны под названием РМ10 (меньше 10 микрон (миллионная доля метра) в диаметре, что в 5–10 раз меньше диаметра человеческого волоса)[251]. Чем субстанция меньше и легче, тем увереннее она удерживается на поверхности предметов благодаря статическому электричеству, которое вызывает адгезию (см. главу 6). Пыль собирается на поверхности вещей, потому что она мелкая и легкая. И собирается она слоями.

Вторая причина, по которой пыль нелегко сдуть, гораздо интереснее. Мы во многом походим на животных, но отличаемся от них прежде всего тем, что ходим на задних ногах. Поэтому кое-чего не видим в окружающих нас атмосферных условиях, а именно: чем мы выше, тем сильнее овевает нас ветер (может, это явление не столь заметное, но оно существует). Для нас очевидно, что чем объект выше от земли, тем сильнее на него воздействует ветер. Это заметно при прогулках по холмам. На уровне почвы скорость ветра практически равна нулю[252]. Под уровнем почвы я имею в виду высоту буквально в несколько атомов от поверхности земли. Низкие травы могут колыхаться под порывами ветра, но, с научной точки зрения, движения воздуха в непосредственной близости от земли нет – даже при ветре в 10 баллов. Это, в частности, объясняет, почему ветровые энергетические установки такие высокие. При увеличении диаметра их лопастей вдвое их мощность возрастает на треть[253].

Когда вы дуете параллельно какой-то поверхности вроде книжной полки, мини-поток воздуха, срывающийся с ваших губ, имеет определенную скорость. Но на самой границе с поверхностью, скажем на расстоянии одного атома от нее, воздушный поток вообще не имеет скорости. Она растет постепенно по мере увеличения расстояния от поверхности и приближения воздуха к слою, называемому граничным. Выше его скорость воздуха постоянна. Вы не можете сдуть всю пыль с книжной полки, потому что нижний ее слой остается на небольшом удалении от поверхности, где воздух не движется совсем. Конечно, чем сильнее вы дуете, тем выше вероятность того, что вам удастся сместить верхние слои пыли. Но вы не можете сдуть «пыль с пыли», потому что какой-то ее слой обязательно останется.

Тот же принцип действует и в отношении вентиляторов. Приходилось ли вам замечать, какими грязными через некоторое время работы становятся их лопасти, хотя они с огромной скоростью разрубают воздух, делая несколько сотен оборотов в минуту? Объяснение такое же: воздух в непосредственной близости от лопастей вентилятора не движется вовсе. Постоянное вращение создает на лопастях электростатическое поле, которое еще сильнее притягивает пыль. Механизм образования пыли на книжных полках и лопастях вентилятора действует и для автомашин. Когда автомобиль движется, вокруг него создаются воздушные потоки. Хотя ветер несется вам навстречу почти с такой же скоростью, которую показывает спидометр, непосредственно на металлической поверхности корпуса автомобиля она равна нулю. Именно поэтому пыль и убитые насекомые остаются на ней – в граничном слое – до тех пор, пока вы не возьмете влажную губку, чтобы стереть их.

 

Вместе с потоком

 

С виду вода и воздух очень разные, но при движении в скоростном потоке они ведут себя похоже. Мы объединяем жидкости и газы и называем их текучими средами. Наука, их изучающая, называется гидрогазодинамикой. Аэродинамика – ее подраздел, занимающийся изучением движения воздуха, в частности движения машин с минимальным сопротивлением. В текучих средах, в том числе воздухе, интересно то, что они могут течь либо «плавно», либо «турбулентно».

 

Плавное, безвихревое обтекание

 

Когда вы несетесь по шоссе на Ferrari, воздух обтекает его поверхность ровными изогнутыми линиями, известными под названием линий тока. Когда мы говорим, что машина «обтекаемая», то подразумеваем, что ее могут обтекать воздушные потоки и она имеет низкое сопротивление воздуху. Машина с идеальной аэродинамикой оставляет за собой воздушные потоки, которые не сильно отличаются от встречных воздушных потоков. При таком движении воздух обтекает автомашину почти параллельными потоками (слоями). Мы называем их ламинарными (состоящими из параллельных слоев, как ламинатные полы).

 

▲ Ламинарные воздушные потоки вокруг обтекаемой машины. Это потоки вокруг автомашины с обтекаемым корпусом, которые мы видим в аэродинамических трубах. Линии тока сжимаются над корпусом автомобиля, но снова расходятся на практически первоначальную величину за ним. К сожалению, несмотря на все старания дизайнеров, даже эти потоки несколько деформируются, особенно в нижней части за автомобилем.

 

У спортивных машин улучшенная управляемость за счет перераспределения воздушных потоков, которые их обтекают. На многих из них в передней части устанавливают «юбки передних бамперов» (которые предотвращают попадание ненужных потоков под автомобиль) или задние спойлеры (на багажнике или задней части автомобиля – сглаживают турбулентные завихрения за ним). У спорткаров «Формулы-1», оборудованных такими спойлерами, возникает большая прижимная сила. На скорости в 240 км/ч она составляет значения, вдвое превышающие собственный вес автомобиля. Поэтому часто говорят, что такие машины могут «ездить по потолку». Недостаток спойлеров в том, что они усиливают сопротивление воздуха. Но существуют различные подобные устройства, которые меняют угол наклона, позволяя при необходимости повышать прижимную силу машины или снижать аэродинамическое сопротивление.

Ровные ламинарные воздушные потоки можно видеть не только на примере автомобилей и вообще воздуха. Их также можно наблюдать на спускающихся в море красивых песчаных пляжах. После того как волны исчезают около берега и вода поднимается по песку вверх ровным потоком, вниз она сбегает несколькими параллельными слоями. Нижние могут стекать в море, а верхние – только направляться к берегу. При этом скорости у них разные. Это ламинарные потоки: слои воды скользят друг по другу, как прозрачные блестящие стекла, без видимых следов взаимодействия или смешения. Ламинарные потоки можно наблюдать и в медленно текущих реках. Их скорость растет от каменистого дна, где она минимальна, к более верхним слоям, где вода бежит быстрее.

 

Турбулентные потоки

 

Разумеется, и воздушные, и водные массы не всегда движутся ровно. Если вы едете в грузовике, а у него нет соответствующих устройств, сглаживающих воздушные потоки, его капот врезается в воздух и частично останавливает их, тогда как другие минуют его. В результате возникают завихрения воздуха, которые называются турбулентными потоками. Они организуются хаотически и создают для двигающихся мимо них объектов значительное сопротивление. Турбулентные завихрения получают энергию от вашего грузовика, поэтому и замедляют его. Их сопротивление буквально крадет у вас энергию.

Если вы хороший пловец кролем, вы знаете, что лучшая техника – вытянуть тело и сделать его максимально обтекаемым, чтобы оно создавало в воде как можно меньше завихрений. Если вы поднимете голову и не выпрямите спину, то создадите вокруг себя турбулентные потоки, которые будут замедлять ваше движение, крадя у вас энергию и приводя к усталости. Плавать на открытой воде труднее, чем в бассейне, потому что к течениям добавляются ветер и волны, которые повышают турбулентность потока. По моему опыту, когда вы плывете в открытом море, положение вашего тела уже не играет такую важную роль[254].

 

▲ Турбулентные потоки вокруг необтекаемого грузовика. Как и в случае с легковым автомобилем, потоки воздуха пытаются обтечь грузовик. Но многие ударяются о его необтекаемый корпус и отбрасываются назад, причем каждый слой воздуха захватывает соседние, вызывая сильные турбулентные завихрения. Борьба с таким сопротивлением воздуха требует затрат энергии. Чем активнее грузовик пытается преодолеть сопротивление, тем больше энергии теряет. Поэтому на большие грузовики поверх кабины устанавливаются спойлеры, которые снижают сопротивление встречного воздуха почти на четверть, хотя и увеличивают массу машины. Обтекатели перед колесами грузовика могут снизить сопротивление еще на 10 % [255].