Десять опытов из «золотого фонда» гидродинамики

52

Десять опыт из «золотого фона» гидродинамики

Кандидат физико-математических наук
С. К. БЕТЯЕВ

Кушай, кума, десятую шанежку.
Я ведь не считаю.
Русская пословица.

Невозможно подсчитать, каких достижения в гидродинамике больше: теоретических или опытных. Далее разделить их на эти две категории затруднительно.

Конечно, это относится и к любой другой области физики. Теория часто представляет эксперимент, наводяший на обнаружение нового явления. Так, французский астроном Леверь, открывший в 1846 году планету Нептун «на кончке пера», воспользовался данным изменений возмущений в движении планеты Уран. И наоборот, экспериментально ускорило могут оказать существенно услугу предварительные теоретические разработки. Например, обнаружение совсем недавно опытным путем явления сверхпроводимости при «почти комнатной» температуре стало возможным только благодаря теоретическому анализу этого эфекта.

Различют несколько видов научного эксперимента. Если о природе изучаемого явления еще нет никаких гипотез или версий, то говорят о поисковом эксперименте. Если имеется одна гипотеза, то эксперимент, проводимый с целью ее проверки, называют контрольным. Наконец, если сущеует несколько гипотез, то эксперимент, проводимый с целью отбора одной из них, называют решающим.

Кроме разделения экспериментов по их целевому назначению, используется также формальное разделение на количественный и качественный эксперименты. В гидродинамике в результате проведения первого добавляются цифровые данные, а в результате второго определяется «геометрия» теория — например траектория движения части жидкости. Колчественный эксперимент обычно является «черным ящиком»: регистрации лишь эко-сигнал неокоторого воздействия на исследуемый объект, природа которого остается неизвестной. Большое значение для гидродинамики как науки имеет качественный эксперимент.

Все обсуждаемые ниже опыты — качественные. Большинство из них можно проверить в школьном физическом кабинете или дома.

1. Фокус с шариком для пинг-понга

Мы привыкли к тому, что на прогруженное в поток жидкости тело действует слая сопротивления, направленая по потоку. Но всегда ли процессит именно так?

54

ero сила тяжести $m_1 g < F_{\max}$, то он, сметившись несколько вниз, то же останется в положении равновесия. В случае $m_1 g > F_{\max}$ шарик выпадет изворники.

Если расширенный конец воронки поднять вверх, то направление силы $F$ относительно направления скорости струп изменится на противоположное — она станет обичной силой сопротивления, действующей по потоку. При этом равновесное положение шарика $h_2$ оказывается более близким к наиболее узкому сечению воронки, но тоже будет устойчивым.*)

2. Погранчный слой

Кто когда-нибудь имел дело с компьютером, безусловно, знает, что ЭВМ имеет стройtgrafики. Но оказывается, что можно получить график некоторых физических без каких-либо измерений, а сразу во время проведения опыта.

Интересный пример на эту тему продемонстрировал в 1977 году американский ученый Ф. Уортман. На рисунке 3 воспроизведена фотография течение жидкости в так называемом погранчном слое. Внизу вы видите пластину, которая обтекалась водой, движущейся слева направо со скоростью 9 см/c. Tonкая телуровая проводочка в левой части снимка, протянутая перpendикулярно пластине, нагревалась кратковременным импульсом электрического тока продолжительного в несколько миллисекунд. Химическая реакция с водой порождала тонкое облако колюдных частиц, которое потом дрейфовало вместе с потоком воды. На фотографии зафиксировано положение колюдных частиц в некоторые момент времени $t$, когда каждая из них прошла параллельно пластине путь $u(y)t$. Здесь $u(y)$ — скорость частицы в зависимости от перpendикулярной пластине координаты $y$.

*) О многочисленных опытах с шариком для пинг-понга вы можете прочитать в статье А. В. Вялко «Пинг-понг… в умывалнике» («Квант», 1985, № 3).

Как видно из полученного «графика», непосредственно на пластине скорость жидкости равна нулю, а при достичном удалении от пластины скорость стремиется к постоянному значению, равному 9 см/c. Все описанные события происходит в тонком слое толщиной всего лишь 5 мм. Такой пристенчный слой, образующийся в не очень взяной жидкости, и называется погранчным слоем. Полученный с помощью опыта так называемый профиль скорости жидкости в погранчном слое удивительным образом совпадает с расчетным. В гидродинамике подобные совпадения очень редки.

3. Опытты Рейнольдса

Упорядоченное слоистое течение жидкости, называемое ламинарным (отлатинского lamina — полоска), пример которого показан на рисунке 3, с увеличением скорости становится неустойчивым и переходит в хаотичное

55

ское турбулентное течение (от латинского turbulentus — беспорядочный).
Такое замечательное открытие сделал в 1893 году известный английский физик О. Рейнольдс (1842—1912). Его опыты документаровались не фотографиями, а рисунками. Оdnako в Манчестерском университете сохранилась сама экспериментальная установка, и на ней в нашей время, т. е. почти сто лет спустя, был повторен классический опыт Рейнольдаса и получены фотографии течение жидкости. Они приведены на рисунке 4.

На самом верхнем снимке видно, что стружка подкрашенной воды, вводная в стеклянную трубку, движется прямолинейно — течение ламинарное. На следующем снимке виден переход ламинарного течение в турбулентное — при возросшей скорости. На двух остальных снимках — явно выраженное турбулентное течение.

Любопытен следующий факт. В современном Манчестереулиное движение города интенсивнее, чем в прошлом вке. Так вот, этотулиный шум оказал влияние на критическую скорость, при которой происходит переходе из ламинарного в турбулентное