Сверхзвуковая струя своими руками
 Иллюстрация процесса появления трех сверхзвуковых струй. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
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.
Также по теме:
Источники: