Сверхзвуковая струя своими руками
Группа исследователей из Испании и Нидерландов показала, что сверхзвуковой поток на практике может реализовать даже школьник на кухне. Оказывается, возникновение столь экзотических струй сопутствует даже весьма обыденным явлениям.
Говоря слово «струя», обычный человек чаще всего подразумевает не более чем воду, текущую из под крана на кухне. Однако, в научном смысле этот термин имеет и более экзотические применения, к примеру, он может относиться к релятивистским струям плазмы, извергающимся из черных дыр, или сверхзвуковым струям воздуха, выходящим из турбореактивных двигателей самолетов. На первый взгляд кажется, что с такими экзотическими значениями этого понятия мы никогда не столкнемся в повседневной жизни, но работа ученых из Испании и Нидерландов, опубликованная в журнале Physical Review Letters, доказывает обратное. После серии экспериментов исследователи нашли сверхзвуковой поток в самом неожиданном месте: во всплеске от упавшего в воду объекта.
Воспроизвести их экспериментальную установку можно без особого труда. Достаточно бросить твердый объект (хороший пример - бильярдный шар) в емкость, наполненную водой. В результате мы получим не одну, а целых три сверхзвуковые струи: две водяные и одну воздушную. На поверхности, правда, окажутся только 2 из них; одна (водяная) так и останется под толщей воды.
Но рассмотрим процесс падения объекта в воду подробнее, чтобы понять, где именно искать сверхзвуковые струи. Когда бильярдный шар сталкивается с поверхностью жидкости, за счет поверхностного натяжения воды он «проваливается» на дно не сразу. Сначала в поверхности жидкости формируется «углубление» (или «кратер»). «Кратер» постепенно углубляется, а на его границах возникает так называемая «корона». Объект продолжает спускаться и через некоторое время под давлением объема жидкости и, естественно, не без вклада сил поверхностного натяжения, стенки «кратера» начинают сжиматься. Когда стенки жидкости уже практически вплотную приблизились друг к другу, можно наблюдать первую сверхзвуковую струю – поток воздуха, вырывающийся из пространства вокруг бильярдного шара к поверхности воды. Столь высокие скорости, наблюдаемые на эксперименте, связаны с большой разницей давлений внутреннего пространства «схлопывающейся» воздушной камеры и окружающего воздуха. Кстати, в момент наблюдения сверхзвуковой струи воздуха, можно отметить, что форма «кратера» становится похожей на сопла ракетных двигателей.
Далее водные «стенки» сталкиваются, и в результате этого процесса возникает еще две сверхзвуковые водяные струи (вверх и вниз от места «столкновения»). В формировании этих струй так же играет роль давление, но на этот раз уже водных стенок друг на друга.
Проводя свои собственные эксперименты, ученые пользовались, конечно, более удобным способом наблюдения: при помощи специальных креплений они с управляемой скоростью двигали в жидкости объект. Это позволяло достаточно гибко управлять параметрами эксперимента, проводя необходимые измерения и фиксируя явление с помощью высокоскоростной камеры.
