Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - [76]
▲ 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].
Как заставить турбулентные потоки работать у вас дома
Понимание того, что газы и жидкости движутся либо в ламинарных, либо в турбулентных потоках (или в комбинации обоих), помогает нам объяснить многое. Теперь вы наверняка сможете сказать, что при сдувании пыли с книжной полки воздух движется в ламинарных потоках, очень похожих на потоки воды в медленной реке. Каждый следующий слой движется чуть быстрее предыдущего, а тот, что непосредственно примыкает к поверхности полки, практически неподвижен. Теоретически вам было бы гораздо легче очистить полку от пыли, если бы вы смогли сделать поток воздуха, направленный на нее, турбулентным или хотя бы комбинированным. Но как этого добиться? Вы могли бы применить метод попеременного всасывания и выброса воздуха, или метод обдувания с различных направлений, или какой-то другой прием, который заставил бы воздух у поверхности двигаться. Например, подуть на полку через соломинку. Но на практике оказывается, что электростатическое притяжение между пылинками и полкой слишком сильно и самый действенный способ освободить ее от пыли – протереть ее влажной тканью или щеткой.
Как избежать помешивания чая
Теперь, когда мы познакомились с тонкостями ламинарных и турбулентных потоков, вы поймете: мешать чай не нужно. Когда вы мешаете жидкость – чай, кофе, краску или соус, – то обычно помещаете в сосуд с ними какой-то предмет и вращаете его. Но при этом вы создаете круговые ламинарные потоки, которые не перемешиваются.
Джон Демосс и Кевин Кэхилл из университета Нью-Мексико придумали удивительный (и трудный для описания) опыт, который вы можете изучить в интернете[256]. Один из ученых вводит в сосуд с кукурузным сиропом сверху три порции пищевого красителя, которые располагаются на разной высоте в разных местах. Ученый поворачивает сосуд на определенное число оборотов вдоль его вертикальной оси. Мы видим, что три «кляксы» красителя при этом превращаются в три идеальные продольные линии разных цветов. Затем исследователь поворачивает смеситель на такое же число оборотов назад. О чудо! Краситель отделяется от сиропа и превращается в три изначальные «кляксы».
Этот невероятный опыт показывает, что идеальные ламинарные потоки не перемешиваются, даже когда жидкость вращается в смесителе. Поэтому этот процесс обратим. Когда вы мешаете чай или кофе, то просто разгоняете жидкость, которая движется в ламинарных потоках. Такой способ помешивания вполне привычен, но с точки зрения физики гораздо быстрее и эффективнее мешать турбулентным способом. Например, мешая содержимое сосуда в одном направлении, потом резко останавливаясь и мешая в противоположную сторону. Я мешаю чай так турбулентно, что проливаю на кухонный стол почти половину содержимого чашки (гости часто укоряют меня в том, что я даю им маленькие порции).
Если вы готовите чай по старым рецептам, из рассыпной смеси, а не из пакетиков, вы, возможно обратили внимание на еще один любопытный с точки зрения науки эффект. Когда вы сильно мешаете чай ложечкой, его крупинки собираются в центре чашки и движутся по направлению ко дну, вместо того чтобы прижиматься к внутренним стенкам, как можно было бы ожидать. Поначалу они действительно движутся в сторону от центра, но стоит вам прекратить мешать, как движение жидкости замедляется из-за трения между нею и стенками, а также дном чашки. Это создает вторичное завихрение, которое затягивает воду от стенок чашки к центру, втягивая туда же и крупинки чая, которые под действием своего веса оседают на дне, а водоворот чая все еще кружится над ними. Кто еще обращал внимание на этот полезно-бесполезный пример науки на кухне? Альберт Эйнштейн в своей малоизвестной работе, опубликованной в 1926 году[257].
Чашка чая всегда остается чашкой чая. Независимо от того, как долго вы мешаете его и делаете ли это по-своему (ламинарным способом) или по-моему (турбулентно), чай остается собой. Жидкости, которые ведут себя таким простым способом, называются ньютоновскими: они подчиняются классическим законам физики, сформулированным Ньютоном в XVII веке.
Но не все жидкости такие. Это я открыл, на свою беду, одним школьным утром, когда мне было то ли 12, то ли 13 лет. Я был на уроке кулинарии (которая тогда называлась «домоводством» или, может быть, «домашним хозяйством»), и мне в первый раз показывали, как делать заварной крем. У меня поначалу выходило неплохо, но потом я запоздал с помешиванием, и крем подгорел со дна кастрюльки. Я оставил его остывать и забыл о нем до конца урока, когда уже не оставалось времени на спасение ситуации. Делать нечего, и я понес пол-литра подгорелого холодного заварного крема в рюкзаке домой. Там в голову мне не пришло ничего лучшего, как слить крем в раковину на кухне. Большая ошибка! По мере того как я оттирал его от стенок кастрюльки и яростно мешал, масса сильно разбухла. То, что поначалу представляло собой желтоватую водянистую смесь, превратилось в толстую желеобразную массу. О нет! Я попытался помешать ее еще, но это только ухудшило дело. Чем больше я волновался и чем яростнее мешал смесь, тем плотнее она становилась. В итоге она превратилась в подобие кусков каучука. Мне пришлось их вычерпывать деревянной кухонной ложкой и заталкивать в сливное отверстие мойки.
